具有空腔异质结构的Cu2O@void@TiO2纳米复合材料的可控合成及其光催化性能研究

The method and material development for organic pollutants removal in water is a cosmopolitan widespread concerned research topic. The design of photocatalysts and their photodegradation mechanism study to remove the low concentration, high toxicity, refractory organic pollutants are meaningful for the development of low-cost, highly efficient and stable photodegradation material. In the current project，sphere-like Cu2O@void@TiO2 nanocomposite photocatalyst with tunable inner void and heterostructure is designed；And the theory and method for preparation of the tunable inner void and heterostructure of the nanocomposite will be also explored. The kinetics and mechanism of photocatalytic degradation of organic pollutant for Cu2O@void@TiO2 composite photocatalyst with tunable inner void and heterostructure will be systematicly studied under UV-visible and Visible light irradiation. Combining with the kinetics analysis and mechanism of photocatalytic degradation of organic pollutant process, the photocatalytic performance of the photocatalyst as the function of the inner void and heterostructure will be clearly revealed. The expected results will supply both the theoretic insight and the technique direction for the development of low-cost, highly efficient and stable photocatalysts for oganic pollutants removal in water. In addtion, it is also advantageous to further promote the actual application of TiO2 and its composite photocatalyst for the highly efficient removal of the low concentration, high toxicity, refractory organic pollutants in water under Visible light irradiation.

水体中有机污染物的去除方法和材料是目前国内外普遍关注的研究课题，开展对水体中低浓度、高毒性和难降解有机污染物去除的光催化剂的设计及其降解机制的研究，对发展低成本、高效和稳定的光催化剂有着重要的指导意义。本项目设计具有内空腔和异质结构的球状Cu2O@void@TiO2复合光催化剂，并探索其内空腔大小和异质结面积大小可以调控的合成原理和方法；系统研究具有内空腔异质结构的Cu2O@void@TiO2复合光催化剂在紫外-可见光和可见光条件下对有机污染物降解的动力学过程及其催化降解机理；结合该光催化剂对有机污染物降解的动力学过程及其降解机理，揭示内空腔大小和异质结面积大小在紫外-可见光和可见光条件下对催化性能的影响规律。预期成果将为开发去除有机污染物的光催化剂提供理论基础和技术支持；同时，有利于进一步推进TiO2及其复合光催化剂在可见光的范围内高效去除低浓度、高毒性和难降解有机污染物在实际中的应用。

水中有机/无机微污染物(ppm-ppb量级)产生的毒性效应具有持续性和放大作用，严重威胁人类健康，对其进行有效的治理成了目前亟需解决的重要问题。本项目针对有机物污染物对环境危害状况严峻的形势，构筑基于铜基氧化物微纳米分级结构及其异质结型复合光催化剂并应用于水环境中有机微污染物的去除。采用窄带隙半导体 Cu2O与TiO2复合，形成Cu2O@TiO2具有核壳异质结复合材料，提高了 TiO2在可见光下吸收范围，对有机污染物的高效去除可以归结为这种核壳异质结减少了电子空穴对的复合和增加了高密度分解有机污染物的活性位点，此外，具有一定耐酸碱性和不具有光腐蚀作用的TiO2壳层对Cu2O内核有很大的保护作用，增加了光催化材料的稳定性。采用简单的溶液法，在碳酸根离子(CO32-)的调控下，实现了具有分级结构CuO微球的可控制备，在添加和不添加CO32-时，可以分别得到纳米线组装的CuO微球和片状结构组装的CuO微球；CuO前驱物(碱式碳酸铜)的微纳米分解结构调控可以在简单的溶液法下进行，研究表明在不同反应温度下，可以获得有纳米颗粒组成的碱式碳酸铜微球和有线状组成的碱式碳酸铜哑铃微球，在退火处理后，所得到的CuO结构与碱式碳酸铜微球保持一致。上述所获得的四种CuO微球对罗丹明B降解实验表明了它们具有很高的光催化活性和稳定性。制备了具有球中球结构的CuO微球，其光催化活性的较大增强主要归结于具有内空腔的结构在可见光照射后，可见光在其核壳内部进行多次的光反射和散射，增强了其对光子的捕获能力。制备了具有单分散花状微纳米分级结构 Ag/Cu2O 异质结复合材料，在去除有机污染物甲基橙的研究中，该复合材料表现出优异的光催化活性和稳定性，其主要原因可归结为所形成的Ag/Cu2O 异质结显著地增强了材料的光催化性能。此外，本项目还研究了ZnO多孔纳米材料对环境污染物的光催化性能及原理。本项目的开展为探索铜基微纳米分级结构和多孔纳米材料在环境治理领域的应用奠定了理论和实验基础，对维护人体健康、保护生态环境，实现可持续发展也具有重要的现实意义。