后主族金属氧化物固溶体及其可见光光催化降解有机污染物的作用本质研究

研制高量子效率和高可见光响应的光催化材料是光催化技术能否获得实际应用的核心和关键问题。通过形成固溶体来调变具有高紫外光催化活性的半导体材料的能带结构是开发可见光光催化材料的一种新思路。基于金属和硫双取代的In(OH)3固溶体具有可见光光催化活性和后主族金属氧化物在紫外光下具有优于P25的光催化活性的前期研究发现，本项目拟合成后主族金属氧化物固溶体，探索不同金属和非金属部分取代的后主族金属氧化物固溶体材料的低温合成方法；表征固溶体的组成、结构及表面状态；考察固溶体材料可见光下降解有机污染物的光催化活性。结合量子力学计算以及光电化学测试结果，探索固溶体的形成规律，阐明固溶体的组成、结构及表面状态与其可见光催化活性的本质联系，为开发具有高活性的固溶体型可见光光催化环境净化材料提供理论依据和实验方法。该研究对丰富光催化基础理论，开发新型高效的光催化材料具有重要的理论和实际意义。

高可见光响应和高量子效率光催化材料的研制是光催化技术能否获得实际应用的核心和关键问题。本项目提出了利用形成固溶体来调变具有高紫外光催化活性的后主族金属氧化物/氢氧化物半导体的能带结构，从而开发出新型可见光光催化材料的新思路。在这一光催化剂设计思想的指导下，我们系统研究了In(OH)3、Ga2O3和Sr2Sb2O7等一系列宽带隙半导体的固溶化过程及所得到固溶体的光催化性能。研究表明利用S、F等非金属以及Zn、Cu等金属对In(OH)3体系进行固溶体化，可很好地调控In(OH)3能带结构，获得具有明显可见光光催化活性的In(OH)ySz、Zn/Cu-In(OH)ySz以及F-In(OH)ySz等一系列固溶体型可见光光催化材料。利用密度泛函理论详细研究了所引入元素对所形成固溶体电子结构的影响，阐明了这些In(OH)3固溶体材料的可见光光催化作用机制。这些研究结果对于新型固溶体型可见光光催化材料的设计合成具有一定的指导意义。.除此之外，本项目还开展了其它几类新型光催化材料的探索研究：（1）采用简单水热法以锑的氧化物为原料合成出了BiSbO4、ZnSb2O6、AgSbO3、GaSbO4、CaSb2O5(OH)2和Ca2Sb2O7等一系列纳米锑酸盐光催化材料，阐明了影响这些锑酸盐光催化性能的本质因素及其光催化机理；（2）以活性碳纤维为硬模板，合成出了Bi2O3/Bi2WO6双壳层空心球以及组成可调的WO3/TiO2、SnO2/TiO2和Fe2O3/TiO2空心管等复合氧化物中空纳米结构，这些具有异质复合中空结构的复合氧化物具有明显的可见光光催化性能；（3）通过改变反应前躯体控制合成出了具有不同晶相结构的ZnIn2S4纳米结构，阐明了不同晶相ZnIn2S4具有不同光催化性能的本质因素；（4）开展了MOF材料光催化还原CO2的探索研究，获得了NH2-MIL-125(Ti)这一可见光下光催化还原CO2得到甲酸的MOF基光催化材料。这些研究结果不仅极大地丰富了光催化材料的体系，而且加深了人们对光催化材料结构和性能本质联系的认识，展现出光催化技术在新能源制造和环境净化方面巨大的发展前景。