TiO2-CNTs-BiVO4三元复合及光催化机理研究

Along with the contradiction between the process of industrialization and environmental pollution is increasing outstandly, the wide spectral absorption and high efficiency catalyst has been paid more and more attention. In this project, narrow gap semiconductor will be chosen and composited with titanium dioxide and surface chemical modification of carbon nanotubes. Around the visible light catalyst reaction mechanism, structure and application, using the energy band theory and molecular orbital theory, tuning the band gap width and matching of redshift, the longer absorption wavelength, wider spectrum ( 400- 800nm ) composite visible light catalysts will be explored. The material surface, interface structure and quantum size effect on solar energy conversion efficiency will be researched in detail. Using scanning electrochemical microscopy, the narrow band gap semiconductor - titanium dioxide-carbon nanotube heterojunctions electron transfer mechanism will be studied. The pollutant degradation catalytic reaction process will be simulated, and the reaction mechanism, perfect preparation process, improved the catalytic efficiency will be investigated, which will be theoretical foundation for the practical application of high-efficient visible light catalyst.

随着工业化进程与环境污染矛盾的日益突出，宽谱吸收的高效催化剂日益受到重视。本项目选择窄禁带半导体与二氧化钛及表面化学修饰的碳纳米管制备复合材料。围绕可见光光催化剂构建、反应机理及应用基础等关键科学问题，利用能带理论和分子轨道理论，从调控带隙宽度和红移匹配入手，探索吸收波长更长、频谱更宽(400～800nm)的新型复合可见光催化材料；研究催化材料表面、界面微结构及量子尺寸效应对太阳能转化效率的影响；利用扫描电化学显微镜研究电子转移动力学，探索窄禁带半导体/二氧化钛/碳纳米管异质结电子传递的可能机理。动态模拟污染物降解的催化反应过程，进一步揭示反应机理、完善制备工艺、提高催化效率，为实现高效可见光催化剂的实用化打下理论基础。

基于半导体材料的光催化技术是一种先进的高级氧化技术，它可以通过半导体中的受激电子产生具有强氧化性的活性物质，因此具有能够利用太阳能这种清洁可再生的优势。相比于研究比较成熟的TiO2紫外光催化剂，具有可见光响应的光催化剂成为了光催化研究的热点。然而，可见光催化剂中光生载流子分离效率低的缺点严重限制了它们的光催化活性。为了解决这个问题，本项目选择合成以BiVO4、Bi2WO6和Bi2MoO6等为基质的新型复合可见光催化材料，并研究其光催化机理。目前，本课题组已成功制备了具有可见光催化活性的BiVO4、Bi2WO6、Bi2MoO6等光催化剂和具有更高催化活性的BiVO4/TiO2、BiVO4/TiO2/BiVO4、BiOBr/BiVO4、CeOx/BiVO4、Bi1-xCexVO4、Ln2O3/BiVO4、Tb-Bi2MoO6、Tb/Eu-Bi2MoO6、Sm/N-Bi2WO6、ln2S3/ZnWO4、MoS2/Bi2WO6、FeWO4/ZnWO4/ZnO、Ag3VO4/Ag4V2O7等新型复合可见光催化剂，取得了丰硕的成果，并发表了十余篇相关文章。在这些工作中，我们合成得到了高性能的复合光催化材料，并在离子掺杂和异质结光催化材料的合成与机理研究方面提出了创新性的概念。第一，完善了BiVO4和TiO2二元纳米复合材料的微结构、界面和表面性质及光催化特性的研究；第二，首次提出了通过掺杂变价镧系离子在晶体结构内部构建氧化还原中心的概念，制备得到高效的镧系离子掺杂光催化剂；第三，首次提出了通过负载镧系氧化物构建氧化还原异质结来提升光催化性能的光催化机理；最后，合成制备了多种新型异质结复合材料，推动了复合异质结光催化材料在合成与机理研究方面的进程。总之，通过对已知的可见光催化材料进行改性研究，我们能够得到可见光吸收更好，光生电子空穴分离速率更高的高效可见光催化材料。并结合能带理论、分子轨道理论和密度泛函理论，我们研究发现了离子掺杂和材料复合在光生电子的分离、迁移过程中对提高光降解效率所起到的重要作用。开展新型可见光催化剂的合成及机理研究，可以揭示可见光催化剂光生电子和空穴的迁移机制、光催化效率与材料结构的相关规律，为可见光催化剂实用化打下理论基础，具有重要的实践和理论指导意义。