半导体氧化物纳米晶的晶面、缺陷调控及其对光热协同催化净化VOCs性能的影响

Nano photocatalysts have been widely used in the photocatalytic purification of organic pollutants in water,but their low photocatalytic efficiency and quick deactivation in the gas-phase photocatalytic purification of volatile organic compounds(VOCs) are great challenge for their application in the purification of indoor air pollutants. In this project,photocatalytis and thermocatalysis are to be perfectly combined together. According to the novel synergetic photothermocatalytic effect and novel photothermocatalytic mechanism of lattice oxygen involving reaction on nano TiO2 and CeO2,which have been found in our prevoius works,we propose to investigate the controllable preparation，defect tuning and synergetic photothermoatalytic VOCs purification of semiconduction oxide nanocrystals (e.g.TiO2,CeO2,ZnO, etc.) and their composites. The characteristics of the project are to characterize defects with positron annihilation, and study the effect of crystal facets, bulk/surface(or interface) defects on the separation efficiency of photogenerated electrons and holes,photothermocatalytic activity and durability of semiconduction oxide nanocrystals and their composites. We will study the mechanism why the semiconduction oxide nanocrystals and their composites exihibit excellent photothermocatalytic duribility. The project will provide novel catalytic purification method and catalyst designing principle for highly efficient VOCs treatment, and provide a solution to the key scientific problems of the lower photocatalytic efficiency and quick deactivation for the VOCs purification on photocatalysts.

纳米光催化剂广泛用于水中有机污染物的催化净化，但在气相光催化净化挥发性有机物（VOCs）中催化净化效率较低和易失活是其用于室内空气污染物治理面临的巨大挑战。本项目将光催化和热催化有机结合，依据我们前期工作发现的纳米TiO2和CeO2高效光热协同催化新效应，以及晶格氧参与反应的光热协同催化新机理，提出研究具有不同晶面取向的半导体氧化物纳米晶（如：TiO2、CeO2、ZnO等）及其复合物的可控制备、缺陷调控及光热协同催化净化VOCs性能。本项目的特色是采用正电子湮灭谱表征缺陷，研究晶面取向、体相/表面（或界面）缺陷，对半导体氧化物纳米晶及其复合物的光生电子和空穴的分离效率、光热协同催化净化活性和稳定性的影响规律；研究这些催化剂具有优良光热协同催化稳定性的机制。本项目将为VOCs的高效治理提供催化净化新方法和催化材料设计新原理，解决光催化剂在VOCs治理中存在的净化效率低和易失活等关键科学问题。

石化、油漆等行业产生大量的挥发性有机物(VOCs)，VOCs对身体健康和环境均产生严重伤害。催化燃烧技术作为现行主要的商业化VOCs治理技术，存在能耗高、运行成本高等问题。本项目将光催化和热催化有机结合，充分利用两者的优势，同时避免各自的不足，研发了系列高效催化净化新材料，发展了高效光热协同催化新方法，为VOCs的高效治理提供新途径。主要创新性研究成果和进展如下：1）在光催化研究方面，发现暴露晶面为{001}的TiO2纳米片与有机物分子的相互作用对其光催化活性有重要影响；制备了空心锐钛矿TiO2纳米晶，发现与实心锐钛矿TiO2纳米晶相比，其光催化活性明显提高。2）在热催化研究方面，制备了具有高效催化净化性能的介孔CeO2立方块，发现其高催化活性的根源在于其表面晶格氧活性高，表面存在大量氧空位缺陷；制备了几种具有高效催化净化性能的纳米结构锰氧化物（OMS-2、OL-1）及Ce离子掺杂OMS-2催化剂，发现氧空位浓度、孔道中K+浓度、Ce离子掺杂对纳米结构锰氧化物催化活性有重要影响。3）在光热协同催化方面，发现了纳米ZnO、TiO2的光热协同催化显著提高其催化活性和稳定性，纳米ZnO的光热协同催化效应源自于其光生电子和空穴的分离效率随温度升高而明显增加，而纳米TiO2的光热协同催化效应源自于由光生电子和空穴产生的活性物种加速了TiO2纳米片的热催化过程。4）在纳米复合物的光热协同催化方面，制备了TiO2/CeO2、MnOx/TiO2、CeMnxOy/TiO2等几种纳米复合催化剂，发现纳米复合物的形成能显著提高其催化净化性能，发现了纳米TiO2的光催化和CeO2、MnOx、CeMnxOy的光致热催化之间存在协同作用，揭示了光催化-光致热催化热协同作用的本质。.截止到2016年12月30日，本项目在ACS Catal.、Appl. Catal. B（2篇）、J. Mater. Chem. A（4篇)、ACS Appl. Mater. Interfaces （3篇）、 Nanoscale、 Environ. Sci: Nano、 Environ. Sci. Technol.等国际重要期刊共发表SCI论文16篇，申请国家发明专利2项，其中1项获得授权，圆满地完成了项目的计划任务和目标。