纳米钨酸盐异质结光催化剂的合成、性能和机理研究

The main objective of this project is to prepare high quantum efficiency and wide-band spectral responsed nano-heterojunction tungstate photocatalysts based on MWO4(M=Fe, Co, Ni, Mn, Zn, Cd, Cu), all of which belong to Wolframite, have the similar crystal structures and tend to form heterojunctions. Series of different configuration(such as mixed type, core-shell type and surface-dispersion type) and structured nano-heterojunction tungstate materials are going to be synthesized through controlling the experimental conditions. The effect of interface nanostructures, energy band structure and heterojunction type of the nano-heterojunction tungstate materials on the photocatalytic activities will be investigated. The controlling mechanism of nano-heterojunctions on the photo-induced electron/hole separation efficiency and the interface charge transfer will be clarified. The research in this project may be in favor of understanding the key factors controlling the photocatalytic process, which may subsequently direct to design the high efficiency and wide-band spectral responsed photocatalysts.

本项目拟以MWO4（M=Fe, Co, Ni, Mn, Zn, Cd, Cu）类型钨酸盐同属黑钨矿结构，晶体结构相似，具有易于形成异质结的特点为基础，制备出高量子转换效率和宽光谱响应的纳米钨酸盐异质结光催化剂。通过控制合成条件，制备出具有不同构型（混合型、核壳型、同轴型、表面分散型）和结构的一系列纳米钨酸盐异质结材料。研究纳米钨酸盐异质结界面微结构、能带结构、异质结构型等与光催化性能的相互关系，阐明纳米异质结构对光生电子-空穴的分离效率、界面电荷转移的调控作用机制。通过上述研究，认识控制光催化过程的关键因素，指导设计新型高效宽光谱响应的光催化剂。

半导体光催化技术作为一种绿色技术被视为是一种较为理想的环境污染治理和能源生产技术。通过发展新型的光催化剂或者是对原来的催化剂进行改性可以进一步提高其应用性能。本研究项目成果包括如下内容：.（1）设计合成了p-n型异质结CdWO4/BiOBr、BiOBr/ZnWO4、BiOI/Bi2MoO6, 非p-n型异质结ZnS/ZnWO4、AgI/AgIO3、AgI/BiOIO3、AgIO3/WO3，以及具有肖特基结的Ag2O/AgI/Ag异质结等不同类型异质结光催化剂，研究了不同类型异质结结构增强光生电子-空穴对的分离效率的机制；.（2）成功制备了具有带隙可调的C3N4/Zn1-xCdxS和Bi2WxMo1-xO6-BiOCl固溶体异质结。C3N4/Zn1-xCdxS异质结的光催化活性的差异主要是能带结构影响可见光吸收性能，以及其CB能带位置影响其还原O2生成O2•−自由基能力。Bi2WxMo1-xO6-BiOCl异质结光催化剂不同的能带结构影响其光生电子和空穴的分离效率，并且影响光催化过程中活性物种的产生；.（3）制备了具有{110}主导晶面的可见光催化剂Ag3PO4 微晶以及{001}和{101}主导晶面的BiOCl1−xBrx固溶体光催化剂。Ag3PO4微晶中的{110}晶面能够有效地将光生电子-空穴对分离，进而提高光催化活性。而BiOCl1−xBrx固溶体的{001}晶面与反应物RhB产生相互作用，并促进了光生电子-空穴对的分离，从而提高光催化活性；.（4）合成了Zn掺杂 CdWO4，Cd掺杂Bi2WO6，Ba掺杂Bi2WO6，Sn掺杂Bi2WO6，Mo掺杂 ZnWO4，Zn掺杂BiOCl和Zn掺杂BiOB掺杂型光催化剂，系统的研究了元素掺杂对光催化剂结构和性能的影响机制。.（5）制备了Fe3O4@C@BiOCl、Fe3O4@SiO2@BiOBr和Fe3O4@SiO2@Ag3PO4磁性光催化剂，该系列催化剂均表现出较高的光催化活性、稳定性和磁分离性能，提高了光催化技术的实用性。