g-C3N4/TiO2/贵金属三元异质结纳米纤维材料的构筑及其可见光催化性能研究

High efficient visible light photocatalytic materials are of great important for promoting the practicality of photocatalytic technologies. The project intends to construct g-C3N4/TiO2/noble metal ternary heterostructures using electrospun TiO2 nanofibers as matrix through soft chemical methods. The synergistic effects of the ternary heterojunctions would benefit for enhancing the photocatalytic efficiencies; the free standing three dimentional (3D) open hierarchical micro/nanostructures could facilitate their separation and recycling properties. In this project, the chemical compositions, energy band structures, and microstructures of g-C3N4/TiO2/noble metal ternary heterostructural system will be investigated by adjusting the conditions of chemical reactions, expecting to reveal the rules of constructing photocatalytic materials with multiple heterojunctions; the charge separations and transfer processes in the muti-interface of heterojunctions and their effects on the kinetics process of photocatalysis would also be studied to explore the synergistic effects of photocatalytic mechanisms in the new material system with multiple heterojunctions; the relationships of the energy band structures, microscopic structures and photocatalytic properties will be surveyed to obtain visible light photocatalytic materials with high activity. The researches of this subject are expected to open new routes and give experimental foundations in designing new photocatalytic materials and promoting practical applications of photocatalytic technologies.

高效可见光催化材料对光催化技术走向实用化具有重要意义。本项目采用软化学方法、以电纺TiO2纳米纤维网毡为基体，构筑g-C3N4/TiO2/贵金属三元异质结光催化材料体系。利用g-C3N4/TiO2/贵金属三元异质结光催化协同效应，提高其光光催化效率；利用其自支撑的三维开放微纳结构，提高其可分离和重复使用性能。研究制备条件对g-C3N4/TiO2/贵金属三元异质结材料体系的化学组成、能带结构和微观结构的影响，揭示多元异质结光催化材料体系的构筑规律；研究异质结界面间的光生电荷分离和传输过程对多元异质结材料光催化动力学过程的影响，揭示多元异质结材料体系的光催化协同作用机制；研究材料的能带结构、微观结构与光催化性能之间的构效关系，获得具有高活性和良好使用性能的可见光催化材料。本课题的研究将为设计合成新型光催化材料和探索光催化技术的实用化提供新的思路和奠定实验基础。

高效可见光催化材料对光催化技术走向实用化具有重要意义。本项目探索了g-C3N4/TiO2/贵金属三元异质结纳米纤维材料可控构筑的新方法，获得了具有较好的可见光催化性能的材料体系，并研究了三元异质界面间的电荷转移/传输及光催化协同作用机制。具体研究内容如下：.（1）通过静电纺丝与原位热处理技术相结合，制备了g-C3N4/TiO2/贵金属（Au、Ag或Pt）三元异质结纳米纤维材料。g-C3N4纳米片和贵金属纳米粒子均匀分布在TiO2纳米纤维基质上，合成的纤维直径约为100 nm，贵金属纳米粒子粒径尺寸约为 5~10 nm。贵金属/g-C3N4/TiO2三元异质结材料的光催化产氢能力较单组份的TiO2纳米纤维提高了6~10倍，比双组分异质结纳米纤维（g-C3N4/TiO2）提高了3~5倍。.（2）通过静电纺丝与气固相反应过程，利用尿素、三聚氰胺等前驱体在TiO2纳米纤维表面原位聚合，可控的制备了g-C3N4/TiO2二元异质结纳米纤维材料。进一步采用原位还原法，在该异质结上负载Ag米粒子，并调控了负载量。当Ag纳米粒子负载量为5.1 wt.%时，g-C3N4/TiO2-Ag三元异质结在不同波段的可见光照射下，降解罗丹明B的一级速率常数分别是g-C3N4/TiO2异质结的3.75倍（400 nm<λ<780 nm）和2倍（420 nm<λ<780 nm）。.（3）g-C3N4/TiO2/贵金属光催化材料的作用机理：g-C3N4纳米片将TiO2的光吸收范围从紫外区拓展到了可见光区，贵金属纳米粒子的表面等离激元共振效应可以进一步增强载流子的产生；异质结效应和贵金属“电子陷阱”效应可以同时促进界面电子-空穴对的快速分离和转移。与Au和Pt相比，Ag的SPR与g-C3N4吸收之间的光谱重叠最好，光催化活性最高。.（4）贵金属/g-C3N4/TiO2三元异质结纳米纤维光催化材料，具有良好的物理化学稳定性，多次循环仍然能保持良好的纤维形貌和稳定的光催化性能。项目还发展了系列g-C3N4基异质结纳米纤维材料，探索了其它可见/全光谱响应的异质结纳米纤维光催化材料体系，设计并制备了可漂浮的柔性异质结纳米纤维光催化材料。.上述研究结果的取得，为设计合成新型光催化材料和探索光催化技术的实用化提供了新的思路和奠定了实验基础。