有机空穴传输材料/铋基氧化物杂化光催化剂的性能研究

Bismuth based oxides are becoming attractive as a new kind of visible light photocatalysts in the field of environmental purification. However, one main factor that limits the application of this kind of photocatalysts is the low separation and migration efficiency of the charge carriers. Bi3+ has a 6s26p0 electron configuration, which can hybrid with the empty p orbital of organic materials by coordination bonds, thus bringing about the dramatical increase of the separation efficiency of the charge carriers. Therefore, the hybridization of bismuth based oxides and organic hole transporting materials (HTM) is an effective way to obtain photocatalysts with high activities. This proposal focuses on the controllable synthesis of HTM/bismuth based oxide hybrid photocatalysts and influence of the band structures on the migration/recombination of the charge carriers. Photocatalytic activities of the as-synthesized samples will be evaluated by photodegrading typical pollutants. The relationship between the band structure, microstructure and photocatalytic properties would be set up and revealed. The theoretical calculation and experimental results will be used to interpret the essential factors that influence the photocatalytic activities of the HTM/bismuth based oxide hybrid photocatalyst, which will lay the foundation for solving the problems of the low photocatalytic efficiency.

铋基氧化物是在环境净化领域具有广泛应用前景的一类新型可见光催化材料。然而，目前的铋基氧化物光催化材料受载流子分离与迁移速率的限制，存在效率低等问题，成为制约该类材料应用的主要瓶颈。Bi3+离子具有6s26p0电子构型，这种电子构型中的s孤电子对能够与有机材料的空p轨道以配位键结合而形成分子级水平的杂化，从而带来载流子分离效率的成倍提高。因此，将铋基氧化物和有机空穴传输材料进行杂化，是获得高活性光催化材料的有效方式。本项目拟对有机空穴传输材料/铋基氧化物杂化光催化剂的可控合成以及受杂化材料界面处能带结构影响的载流子迁移/复合规律进行基础科学研究，并通过典型污染物的降解来评价材料的光催化活性，从而建立杂化材料能带结构、微观结构与光催化性能之间的关系。通过理论计算与实验研究，揭示影响空穴传输材料/铋基氧化物杂化材料光催化效率的规律，为解决可见光催化效率低的难题奠定理论和技术基础。

铋基氧化物是在环境净化领域具有广泛应用前景的一类新型可见光催化材料。铋基氧化物材料的主要氧化物种为空穴，通过将其和空穴传输材料（HTM）进行杂化，能够利用Bi3+离子的6s26p0 孤对电子和有机材料的空p轨道形成s-p杂化，从而实现空穴在两者之间的快速传输，将作为主要氧化物种的空穴尽快导入催化剂的表面参与氧化反应，从而带来光催化性能的大幅提升。本项目围绕空穴传输材料（HTM）/铋基氧化物杂化光催化剂的微结构调控、光催化机制和性能等展开了一系列工作。通过反应条件和参数的改变实现HTM/铋基氧化物杂化光催化材料的种类和组分比例的替代和调节，合成结构可控的高活性HTM/铋基氧化物杂化光催化材料；以环境中典型污染物的降解研究HTM/铋基氧化物杂化光催化材料的性能，揭示杂化材料能带结构、微观结构与光催化性能之间的关系，加深对光催化内在机制的理解，并取得了系列研究进展。发现将能级匹配的空穴传输材料如聚3-己基噻吩（P3HT）、聚噻吩（PT）和铋基氧化物杂化能够有效提升铋基氧化物的光催化性能。其中所制备的P3HT/Bi2MoO6杂化光催化剂的光催化性能比单纯Bi2MoO6提高了60%，PT/Bi2MoO6杂化光催化剂的光催化性能比单纯Bi2MoO6提高一倍。所制备的P3HT/Bi2WO6杂化光催化材料可在5分钟内将罗丹明B染料脱色完全。另外，通过引入卟啉铜（CuTCPP）敏化剂，制备了高活性的CuTCPP/BiPO4和CuTCPP/Bi2WO6杂化光催化材料，并系统研究了其中的光催化机制。本项目为发展高活性的铋基氧化物光催化材料提供了一条思路，并有望用于其它光催化体系。