具有近红外-可见-紫外宽光谱响应的纳米仿生光反应器的组装及催化还原二氧化碳

本项目针对CO2既能导致全球气候变暖，又能为人类提供能源的矛盾，拟开发出新型高效、低成本的CO2"光生油"资源化技术。以叶绿体光反应器为模型，以高能面TiO2为催化活性中心，通过引入近红外(上转换材料)-可见(卟啉)-紫外(TiO2)光谱响应的材料组成光子吸收系统，石墨烯为载体，通过化学键组装NaYF4:Yb,Tm/卟啉/TiO2/石墨烯纳米仿生光反应器，模拟绿色植物的光合作用，高效率、高选择性和宽光谱响应光催化还原二氧化碳。通过卟啉/TiO2/石墨烯界面耦合作用实现卟啉和TiO2对可见光、由近红外光转化生成的光子最大吸收利用，并使光生载流子在TiO2与石墨烯界面得到有效分离，抑制激子复合，为载体表面光催化还原CO2提供有利条件。通过考察仿生光反应器组装成分、界面结构与催化还原CO2活性等，建立组成、结构与光催化活性关系模型，为开发具有知识产权的CO2"光生油"技术提供实验和理论依据。

随着工业的高速发展，全球生态环境正在遭到严重的破坏。目前已有大量去除环境污染物方面的研究。各种方法一直致力于处理温室气体和废水中的染料，包括生物、物理和化学方法。考虑到生物和物理方法的缺点，我们想到了仿生光催化技术。本课题模拟叶绿体光反应器，制备并合成一系列含硫四氮杂卟啉化合物，氧化石墨烯，金属硫化物和高能面TiO2半导体光催化剂，以高能面空盒状TiO2为催化活性中心，引入近红外(卟啉配合物) -可见(金属硫化物)-紫外(TiO2)光谱响应的材料通过化学键自组装成光子吸收系统，高导电率石墨烯为载体，通过化学键组装一套硫化物/卟啉/TiO2/石墨烯纳米仿生光反应器，模拟绿色植物的光合作用，以期望达到宽光谱响应、高效率、高选择性光催化降解水中有机污染物，催化有机氧化还原反应和光催化还原CO2目的，期待能找到新型宽光谱响应的光催化剂。..通过该项目的实施，主要解决了如下科学问题：① 采用固相法和溶剂法，通过改变中心金属离子和环周边基团种类，合成一系列外围含羟甲基、溴丙基或羧基等基团取代的含硫四氮杂卟啉，找到了合成此类卟啉有效的方法；② 采用改进的Hummers方法，通过改变氧化剂种类和氧化时间，得到氧含量不同的氧化石墨烯和氮掺杂石墨烯。③ 选择有机钛源，水或乙酸等为溶剂，采用微波加热，经导向剂作用，定向生成出高能面TiO2纳米晶，并将之与石墨烯复合，得到了一系列TiO2/石墨烯复合材料；④ 通过一步水热法将In2S3、ZnS、CdS纳米晶成功负载在氧化石墨烯上，对RhB有很好的降解作用；⑤ 通过回流法将卟啉成功负载在In2S3微球、ZnS或者CdS纳米棒上，对RhB或者MO有明显降解作用；⑥ 采用水热法，以卟啉为起始材料，制备了空盒状二氧化钛和卟啉的复合光催化材料；⑦ 研究了碳包裹和N, S掺杂的高能面二氧化钛材料；⑧ 通过化学键组装一套卟啉/TiO2/石墨烯纳米仿生光反应器，致力于商品化产品，促进其广泛应用。