微纳空心海胆状分等级TiO2含银活性晶面的调控及光电性能研究

Building a high exposure active crystal plane in the TiO2 surface will optimize material micro-nanostructure effectively, enhance the photoelectric property of the material and make it suitable for the field of photoelectrochemical cell, sodium\lithium-ion batteries and high efficiency photocatalyst. The morphology of TiO2 has a huge impact for its corresponding performance. Compared to other TiO2 nanostructure materials, urchinlike hierarchical ultrastructure of TiO2 shows excellent performance in terms of electron transfer, and is conducive to build a good electronic transfer channel with the active crystal plane. However, how to build an active crystal faces with high exposure ratio, enhance the stability and improve the transferrate of e--h+ is the main problem currently. The project intends to synthesize high exposure (001) urch-inlike hierarchical TiO2 superstructure, and make Ag nanoparticles supported on the TiO2 ultrastructure by solution self-assembly method or situ-photoreduction process. The synergy mechanism between the (001) and the composite superstructure will be discussed deeply. The contact among the microstructure, plasma effect of Ag nanoparticles and the photoelectric properties will be studied and the optimization model of this structural material will be constructed，both of which are useful to lay the theoretical and technical basis for the preparation and application of efficient photoelectric materials.

在具有微纳结构的TiO2基材表面构建高暴露比的活性晶面将会有效地优化材料微纳结构，提升材料的光电性能，使其实用于光电化学电池、钠\锂离子电池及高效光催化剂等领域之中。TiO2的形貌对其相关性能有着巨大的影响，相较于其它纳米结构的TiO2材料，海胆状分等级超结构TiO2在对光的吸收及电子传输等方面显示出优异性能，且有利于与活性晶面构建良好的电子转移通道。然而，如何构筑高暴露比的活性晶面以及提升材料的稳定性和电子-空穴转移速率是目前此类材料亟待解决的主要问题。本项目拟先合成高（001）晶面暴露比的海胆状分等级超结构TiO2，采用溶液自组装法、原位光还原法等手段，将纳米Ag颗粒负载于TiO2超结构中，系统研究材料高活性晶面和复合超结构对光电性能的协同作用机制，探查材料微观结构、Ag等离子体效应与其光电性能的内在联系，构建该类材料优化的结构模型，为高效光电材料的制备及应用奠定理论和技术基础。

TiO2在光电化学电池、锂/钠离子电池、环境催化和传感器等领域的应用有着广泛的研究。但是，传统的TiO2材料禁带宽度过宽且吸光范围较窄，导致其应用受到了极大的限制。TiO2的形貌对其物化性能有着巨大的影响，本课题研究了活性晶面的调控及形貌对TiO2光电性能的影响，揭示了活性晶面结构产生的物理化学作用机制；探讨了不同晶面暴露及形貌与光电性能的变化规律；解决了一些晶面暴露的关键技术问题，制备了共暴露（010）和（101）面的锐钛矿TiO2、暴露（001）面的TiO2/MoS2、共暴露（001）和（101）的TiO2/MIL-100(Fe)。通过现代分析手段，系统研究材料高活性晶面和分等级结构对光电性能的协同作用机制。结果表明，具有暴露高活性晶面的TiO2复合材料能有效提高其光催化降解有机物的效率。此外，还制备了Ag基E-gC3N4/TiO2三元复合材料，结果表明当Ag的负载量为3%时光催化性能最佳，对RhB的降解率在180min光照后可达97.98%。此外，本课题还研究了活性晶面和形貌的调控对BiOBr和ZnO纳米材料的光电性能的影响，进一步拓展研究了活性晶面及形貌对材料性能的重要影响。结果显示，具有暴露高能（101）晶面的ZnO和暴露（110）晶面的BiOBr，均具有较高的光催化活性。本项目探明了高暴露比活性晶面及形貌与光催化性能的关系，为高效的光电材料的设计、制备和应用奠定了理论和技术基础。