光催化与表面等离子体效应协同降解水体PPCPs的纳米复合结构的制备与机理研究

水体中药品及个人护理品（PPCPs）的污染控制是当前面临的一大挑战。本项目拟以壬基酚和三氯生为例，将粒径可控的金纳米粒子沉积在氧化物表面构筑纳米复合颗粒和薄膜，利用光催化和表面等离子体效应协同作用实现PPCPs在可见光下的有效降解。通过碳氮掺杂、纳米管线组装和p-n异质结构三元复合的方法，调控光学性质、组分配比和粒径形貌，优化纳米复合结构的光催化降解性能。采用表面分析技术和光电化学方法，结合降解历程分析，探明光生电子的迁移途径，揭示氧化物的光催化作用和金的表面等离子体效应的耦合机制和调控规律。进一步建立纳米复合薄膜可见光下降解水体PPCPs的新体系，研究温度、pH值、溶解氧、光照条件、双氧水等应用条件的影响机理，考察中间产物的形成规律，为水体PPCPs的有效降解和消除提供一条环境友好的新方法，为高效转化和存储太阳能提供新的理论基础和技术参考。

开发高效宽谱响应的光催化材料是光催化技术用于环境污染控制的关键。表面等离子体效应与光催化反应的协同可以有效增强光子效率，而二者的基本耦合规律、复合结构的构建及其在环境净化领域的应用是当前的一个重点和难点。本项目在可见光响应的碳氮改性TiO2和BiVO4基础上引入金属纳米粒子，致力于开发高效的光催化材料与技术，并用于典型环境难降解污染物的控制之中，此外还在相应的电子激发与迁移规律和活性增强的调控机制方面进行了细致的研究。经过三年的努力，主要解决了以下科学问题：1）提出构建具有可见光活性的表面碳化合物改性TiO2的多种方法，发现了还原氧化石墨烯(RGO)的半导体特性，揭示了RGO表面修饰TiO2诱导可见光活性的本质及其复合结构的p-n异质结特性；2）以BiVO4为载体引入具有SPR效应的金属纳米粒子，揭示了Ag-AgCl、Au等组成的复合结构在光催化反应中SPR效应及其诱导的电子迁移基本规律；3）在应用基础方面，从块体TiO2和棉纤维负载两种途径研究光催化纳米材料的应用，研制了N-TiO2/AgI复合涂层改性的自洁净棉布并揭示该复合涂层的电荷迁移机制。这些研究成果为推动光催化技术在环境污染控制中的应用、拓展固定化的多级复合光催化材料与技术的研究提供重要启示。相关工作已经在ACS Nano, ACS Appl Mater & Interfaces, J Hazard Mater, J Mol Catal A等刊物发表论文15篇，其中SCI收录11篇（IF>2的8篇），被引110余次，ACS Nano论文入选Hot paper 和Highly cited paper，复合涂层的光催化棉纤维的研究成果被美国化学会和BBC 等报导。项目执行期间，出版著作1本，获授权专利4项，荣获2010年青年科学之星新人奖并入选晨星学者奖励计划（B类）。