AgMO2(M=In,Bi,Y)/TiO2异质多孔光催化材料的构筑及其结构-性能构效关系研究

针对目前制约光催化材料实用化进程的光谱响应范围窄、量子转换效率低等突出问题，拟采用"计算模拟─控制合成─结构表征─性能测试─构效分析─机理探讨─优化设计"的研究思路，利用自组装技术控制合成p型含Ag铜铁矿型多元金属氧化物AgMO2(M= In,Bi,Y)与n型TiO2的异质多孔新型光催化材料，研究合成条件，探索含Ag多元金属氧化物异质多孔光催化剂控制合成机理，结合实验测试表征和理论计算模拟分析AgMO2(M=In,Bi,Y)/TiO2的化学组成、微观形貌、表面结构、孔的形态、能带构成、电子分布等与光催化性能的构效关系，探讨异质界面的新奇量子态和光电量子迁移机制特性，揭示AgMO2和TiO2协同光催化作用机理。研究结果不仅是对新奇结构光催化材料探索的发展，也为开发具有高量子效率、宽光谱响应的新型光催化材料提供理论基础和实验依据，进而为构建光催化材料的组成-结构-性能之间的关系提供新思路。

本项目以p型含Ag多元金属氧化物AgMO2(M=Al,Ga,In,In,Bi,Y)与n型TiO2为研究对象，研究了AgMO2/TiO2异质光催化材料的控制合成以及结构与性能之间的构效关系。主要研究内容和研究结果包括：(1) 结合第一性性原理，采用Material Studio软件的CASTEP软件包，建立了TiO2三种晶型和AgMO2系列多元金属氧化物的结构模型，计算模拟了能带结构、态密度和光学性能，分析了电子结构、态密度和电荷分布对能带结构的影响规律，归纳总结了其禁带宽度变化特点，为控制合成AgMO2/TiO2新型光催化材料奠定了理论基础；(2) 利用溶剂挥发自组装、溶胶-凝胶、水热法和离子交换法等控制合成了介孔TiO2、NaMO2和AgMO2/TiO2系列高活性粉体材料以及CuO/TiO2异质梯度薄膜，研究了制备工艺条件对材料微观结构的影响，开发了具有自主知识产权的异质结构光催化材料制备关键技术；(3) 以甲醛和亚甲基蓝为目标降解物，研究了制备样品的光催化活性，10 wt% TiO2/ AgAlO2在可见光照射90 min条件下，对甲醛的降解率达到97.8%，结合实验测试表征和理论计算模拟分析了AgMO2/TiO2的化学组成、微观形貌、表面结构、孔的形态、能带构成等与光催化性能之间的构效关系，探讨了异质结构界面光生载流子迁移机制特性，揭示了AgMO2和TiO2协同光催化作用机理。在项目执行期间，本项目在Catalysis Communications等学术期刊共发表研究论文10篇，其中SCI收录5篇，EI收录2篇，学术专著1项，申报国家发明专利7项，授权2项，参加国际学术会议2次，国内学术会议3次，交流论文8篇，2名硕士研究生完成学业获得硕士学位。对照计划任务书，圆满完成了本课题的任务。本项目的研究结果对优化设计和控制合成具有异质结构新型可见光光催化材料的研究提供了理论基础和实验依据，为构建光催化材料的组成-结构-性能之间构效关系有一定的指导作用，为发展具有高量子效率、宽光谱响应的高效光催化材料提供了新的思路。