单原子Pt负载BiOX纳米光催化剂的构建及光催化性能研究

Surporting noble-metal partical on nanophotocatalyst is an effective way for improving the photocatalytic performance of the nano-photocatalyst. In order to improve the photocatalytic activity of BiOX(Cl, Br, I) nanophotocatalyst and the atom utilization efficiency of the noble metal material, this project is designed to construct single-atom Pt/BiOX nanophotocatalysts by combined the single atom catalytic new technology with photocatalytic technology. It is hoped to achieve the purpose of more effective and economic photocatalytic degradation of organic pollutants in water by the excellent conductivity electronic function and size effect of single-atom Pt, and the synergistic effect of single-atom Pt with BiOX. According to the composition and hierarchical structure of the prepared composite photocatalysts, the surported content, existence mode, space structure, molecular properties of single-atom Pt on the surface of BiOX and the essential role of Pt/ BiOX for the enhanced reaction rate will be studied by the help of modern spectral characterization, quantum chemical calculations and photocatalytic activity test. The effect of single-atom Pt on the band structure and properties of BiOX, the enhanced synergistic effects of the composite photocatalysts will be thoroughly investigated. The dependencies and change regulations between micro-molecular structure and macro-photocatalytic activity will be also understood. The process parameters will be optimized. The obtained results will provide new ideas and theoretical basis for the research and development of high activity solar photocatalysts.

在纳米光催化剂上负载贵金属颗粒是提高其光催化性能的一种有效手段，为了提高贵金属材料的原子利用效率及纳米光催化剂的光催化效果，本研究拟将贵金属单原子催化新技术与光催化技术相结合，构建单原子Pt负载纳米BiOX(X=Cl, Br, I)光催化剂，利用单原子Pt优良的传导电子功能、小尺寸效应以及与BiOX的协同作用，达到经济快速光催化降解有机污染物之目的；依据所制催化剂的组成和表面原子Pt与BiOX之间的结构层次，采用现代光谱表征、量化计算和活性测试相结合，重点研究单原子Pt在纳米BiOX表面的负载量、存在方式、空间构造、分子特性以及对过程反应速率强化的作用本质；深入了解单原子Pt对BiOX能带结构和性能的影响，强化复合催化剂之间的协同效应，认识微观分子构效与宏观光催化活性的依赖关系和变化规律，优化操作参数，为高效太阳能光催化剂的研究和开发提供新的思路和理论依据。

光催化技术是处理环境中持久性有毒有机污染物的有效方法之一，研制高效新型可利用太阳能的光催化剂是光催化领域的重要任务。贵金属(Pt、Ag、Au、Ir等)负载型半导体光催化剂一直是光催化领域的研究重点，其中单原子贵金属催化技术不仅可以提升贵金属的原子利用率，对催化剂体系活性的提高也有很大作用。然而其在催化剂表面的构建及高效利用一直是光催化领域亟待解决的科学难题。基于此，本项目以单原子Pt负载纳米BiOX(X=Cl, Br, I)光催化剂为研究目标，设计构建了Pt/BiOX光催化剂材料体系，依据所制催化剂的组成和表面原子Pt与BiOX之间的结构层次，结合现代光谱表征、量化计算和活性测试，重点研究了单原子Pt在纳米BiOX表面的负载量、存在方式、空间构造、分子特性以及对过程反应速率强化的作用本质，并且深入探讨了单原子Pt对BiOX能带结构和性能的影响以及复合催化剂之间的协同效应。研究结果表明：(1)BiOX是一类性能优良的光催化剂，且制备过程节能环保简便；(2)通过离子掺杂、半导体复合等策略，BiOX基催化剂的光响应能力、电子空穴对分离能力增强，光催化处理水中有毒有机污染物性能得到高效提升，如研制出的复合光催化剂有：BiOBr/Bi12O17Br2，h-BN/OV-BiOCl，BiOBrxI1−x，BiOCl/AgCl，BiOCl/BiPO4等；(3)利用单原子Pt优良的传导电子功能、小尺寸效应以及与BiOX的协同作用，该光催化剂体系具有经济快速光催化降解有机污染物的高效性能，如研制的PtO/Pt4+-BiOCl，Pt/h-BN/BiOBr，Pt/3D BiOBr等；(4)通过量化计算得到单原子Pt吸附于BiOBr{001}-BiO为基底的表面，Pt吸附于穴位时吸附能最小，光响应能力最好且电荷转移量最大；(5)澄清了各个催化剂降解有机物的作用机制，为新型催化剂的制备及应用奠定了良好理论基础。该项工作为单原子贵金属在光催化降解微污染有机物中的应用提供了可靠的科学依据和理论基础，有望在催化剂制备及水处理领域得到应用。