新型二氧化钛光催化剂的结构设计、导向组装及对海洋重金属污染的修复

Under the sunlight irradiation, Titanium dioxide (TiO2) can convert the light energy into chemical energy, and reduce heavy metal ions by photo-catalysis, while it will not cause secondary pollution. The application in the treatment of heavy metals pollution in aqueous solution shows its unique advantages. And further research on the development on seawater utilization of TiO2 is of great significance. Based on modification and controlled morphology of TiO2, removal of heavy metal ions in aqueous solution, this project will further start from the structural design of TiO2 nano-materials, adjust shape of starch template, direct assembly of TiO2, load on the modified supporters, add compound including doped element into reaction system, combine 'one-pot' with hydrothermal synthesis which were used to prepare immobilized TiO2. On this basis, on the one hand, we focus on the research on exploring the adjustment and control on shape of TiO2, the synergy effect of doping elements, the related principles of immobilization on different supporters of TiO2. On the other hand, we also aim at the studying on exploring the structure-activity relationships of the structure and properties of TiO2, and seeking a method on improvement of photo-catalytic performance. This project not only provide experimental basis for common problems on lower solar energy utilization ratio, and difficult recycling at home and abroad, but also provide theoretical support to remediation of heavy metals pollution in marine.

TiO2在太阳光的照射下，能把光能转化成化学能，光催化还原重金属离子，不会造成二次污染，在水体重金属污染处理中显示了其独到的优势，深入研究TiO2对于海水资源高效利用的发展具有重大意义。本项目拟在TiO2改性及形态调控、水中重金属离子去除等前期研究工作的基础上，进一步从TiO2纳米材料的结构设计出发，通过调控淀粉模板的形态，导向TiO2组装，负载在功能化修饰的载体上，向反应体系加入含有掺杂元素的化合物，采用'一锅法'联合水热合成技术制备固定化的改性TiO2，在此基础上，一方面，探索TiO2的形态调控、掺杂元素的协同效应、TiO2在不同功能化修饰载体上的固定化的相关原理；另一方面，探索TiO2的结构与性能的构效关系，寻求提高光催化性能的方法。本项目不仅为目前国内外TiO2研究中所面临的太阳能利用率低、回收利用困难等共性问题提供实验依据，而且为TiO2对海洋重金属污染的修复提供理论支持。

占地球表面积71%的海洋是生命的摇篮，不仅是宝贵的水资源，而且蕴藏着丰富的化学资源。随着工业的快速发展，地表径流和海上人工设施排放的污染加剧，严重危及海洋资源的开发利用。本项目针对危害高、难治理的海洋重金属污染问题，研制了高性能的TiO2复合光催化材料，通过吸附-光催化过程无害化处理，达到去除水体中重金属污染物的目的，具体研究内容如下：①催化载体的制备。采用调控形貌和表面负载功能基团的方法，制备了丝状氧化铁、分级花状氧化铁、立方体NaA分子筛、多孔球状C复合材料、树枝状炭材料、多孔网状石墨烯炭材料等系列高效吸附性能的TiO2光催化剂载体；②模板剂的研制。通过研究金属离子对淀粉聚集体形态的影响，制备了系列对TiO2光催化剂制备过程具有不同导向和调控性能的淀粉模板剂；③催化剂改性研究。通过掺杂不同金属和非金属元素（例如：N、B、F、W等）对TiO2光催化剂进行改性，考察了不同改性方法对催化剂的可见光利用率的影响，筛选出了可见光利用率高的N、B、F改性TiO2光催化剂；④光催化剂的导向组装和负载研究。通过模板剂对TiO2的前驱体进行导向组装和调控，通过水热合成方法进行载体负载，制备出了无定型C/TiO2光催化复合材料、改性TiO2/石墨烯光催化复合材料、α-Fe2O3/TiO2光催化复合材料、改性TiO2/NaA光催化复合材料等，得出光催化性能改性TiO2/石墨烯复合光催化材料>α-Fe2O3/TiO2光催化复合材料>无定型C/TiO2光催化复合材料>改性TiO2/NaA光催化复合材料的重要结论；⑤光催化机理研究。通过研究水体中Pb2+、Cu2+在TiO2光催化复合材料表面吸附-脱附-光催化还原（或氧化）-吸附的过程，初步探索出了重金属离子的光催化机理，将为研制高性能TiO2光催化复合材料提供理论依据。本项目研究成果不仅为解决光催化过程所面临的太阳能利用率低、回收利用困难等共性问题提供了理论支持，也将为治理海洋重金属污染提供了有效手段。