具有光催化和SERS双功能的贵金属--介孔半导体金属氧化物超结构的构筑及其降解芥子气机理

Utilizing solar energy and environmentally friendly functional materials for photocatalytic degradation of mustard agent will be very important. Surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS) could give fingerprint spectra for most molecules, and has many advantages, such as surface selectivity, high sensitivity and label-free. This project will design and synthesize superstructures of 50-100 nm noble metal core and mesoporous semiconductor metal oxide supported smaller than 5 nm noble metal nanoparticles shell according to the requirements of SERS substrate and photocatalyst. These superstructures will have high photocatalytic activity and SERS activity and can be used as photocatalyst and SERS substrate for photodegradation and analysis of mustard agent. We will systematically study the synthesis and characterization of this kind of materials and the effect of their composition,structure on the catalytic performance and SERS activity. We will enhance their stability, catalytic activity and SERS activity by adjusting the composition, thickness and porous structure of the metal oxide shell and the compostion, szie and site of the noble metal nanoparticles. We will study the mechanism of adsorption and photodegradation of mustard agent using SERS combined with in-situ FTIR and other experimental and theoretical technology, and discuss the relationship between composite, structure and catalytic performance and SERS activity.

利用太阳能和环境友好的功能材料光催化降解芥子气将具有重要意义。表面增强拉曼光谱具有表面选择性、高的灵敏度和无需标记等优点，且能给出绝大多数分子的指纹光谱。本项目将根据SERS基底材料和光催化剂的要求，设计合成具有50-100 nm贵金属核和介孔半导体金属氧化物负载的小于5 nm贵金属纳米粒子壳的超结构材料，该类材料将同时具有高的光催化活性和对表面拉曼信号的增强效应，可用于芥子气的光催化降解和检测。系统地研究该类材料的合成、表征方法及其组成、结构对光催化和表面拉曼信号增强性能的影响，通过调变金属氧化物壳的组成、厚度、孔结构以及贵金属纳米颗粒的组成、大小和颗粒间距等进一步提高其光催化和表面拉曼信号增强性能。利用表面增强拉曼、结合原位红外光谱等原位表征技术和理论计算研究其对芥子气的光催化降解机理，探讨该类超级结构材料组成、结构与其稳定性、催化活性和SERS活性之间的关系。

光催化技术以其自身能够有效地利用太阳光和室温下可完成深度反应的特性，在环境治理和能源危机的缓解等方面具有巨大的应用前景，受到了科研工作者广泛的关注。然而，光催化材料存在光谱响应范围窄、选择吸附性能差、载流子容易复合、量子效率较低的问题，导致光催化剂的催化效率不高。因此，新型高效的光催化材料的设计合成是该领域重点研究的课题。该项目主要研究内容包括以下九个方面：① 具有氧空位的Bi/Bi4O5I2多级微球的构筑及其光催化性能研究, ② Bi3O4Br单晶纳米环的大规模合成和光催化性能研究, ③ 原位拓扑合成盘状的BiOCl/2D网状Bi2S3异质结及其光催化活性, ④ 中空结构的三元金属硫化物的合成及光催化性能研究，⑤ 负载在SBA-16孔道中的量子尺寸BiOCl的合成及其性能研究, ⑥ 类仙人掌MoS2与Bi19Cl3S27仿生结构异质结高效光催化剂的设计与构筑, ⑦ 无定型碳修饰的g-C3N4并提高其光催化活性, ⑧ CdS/CoOx复合纳米材料的设计、合成以及在光催化方面的应用, ⑨ MoSe2空心球的合成及其在能源转换方面的应用。我们设计合成了以上新材料，检测了材料的光催化活性，探讨了催化反应机理及催化材料的构效关系。相关研究成果发表学术论文14篇。