核壳异质结构静电纺金属氧化物纳米纤维和纳米管基复合材料的可控制备及协同催化性质研究

Surface and interface chemistry is an important research topic in the field of catalysis, it is focus in this field to explore and design nanocomposite catalysts with a controllable composition and structure, and achieve a synergistic catalytic effect on the interfaces among multicomponents. In this project, we will explore the synthetic approaches to prepare metal oxide composite nanofibers and nanotubes with a core-shell heterostructure and their nanocomposites with conducting polymers, metal nanoparticles or carbon dots. Herein, we will study the peroxidase-like catalytic properties and visible-light photocatalytic water oxidation performance of metal oxide composite nanofibers and nanotubes with a core-shell heterostructure and their nanocomposites with conducting polymers, metal nanoparticles or carbon dots. We will focus on the influence of the types, structures and crystallinity of the metal oxides on the catalytic activities of the core-shell heterostructured metal oxide composite nanofibers and nanotubes. We will reveal the influence of the energy level matching and redox complementary of metal oxides on the catalytic activities of the core-shell heterostructured metal oxide composite nanofibers and nanotubes. In addition, we will investigate the influence of the introduction of conducting polymers, metal oxide nanoparticles and carbon dots on the catalytic activities of the core-shell heterostructured metal oxide composite nanofibers and nanotubes. We hope to reveal the synergistic catalytic mechanism of the core-shell heterostructured metal oxide compsite nanofibers and nanotubes, providing an important basis for the preparation of high performance composite nanocatalysts.

表界面化学是目前催化领域的一个重要研究课题，探索和设计具有特定组成和结构的复合纳米材料催化剂以及实现复合材料中多组分界面之间的协同催化效应是该领域的研究重点。本项目拟开展核壳异质结构静电纺金属氧化物纳米纤维和纳米管基复合材料的设计合成和结构调控，及其协同催化性质研究。探索核壳异质结构金属氧化物纳米纤维和纳米管以及导电聚合物、金属纳米粒子、碳点修饰的核壳异质结构金属氧化物纳米纤维和纳米管的结构调控方法。以核壳异质结构静电纺金属氧化物纳米纤维和纳米管基复合材料模拟酶催化和可见光催化水氧化研究为导向，探讨复合材料的种类、结构、结晶性等对其催化活性的影响，考察金属氧化物的能级匹配和氧化还原互补对催化活性的影响，阐明导电聚合物、金属纳米粒子、碳点修饰的多组分界面对其催化活性的影响规律，揭示核壳异质结构金属氧化物纳米纤维和纳米管基复合材料的协同催化效应，为高性能复合纳米材料催化剂的制备提供重要依据。

由于催化反应通常发生在催化剂的表面，因此表界面化学是目前催化领域的一个重要研究课题。为了在复合纳米材料催化剂中形成有效的界面，材料中各种组分需要紧密接触并尽可能获得更大的界面面积，因此构筑具有特定结构、组成和有效界面的复合纳米材料催化剂是提升催化剂性能的一个重要方法。在各种纳米结构材料催化剂中，核壳结构复合纳米材料催化剂组分之间具有大限度紧密接触，可设计为多孔及多级结构，有利于增大材料的比表面积并通过电荷转移或互补的氧化还原特性实现协同催化效应,因此受到了广泛关注。另外，壳层的保护作用还可以有效提高核壳结构催化剂的稳定性，提高了其实际应用的潜力。. 本项目发展了几种高效、通用的制备策略，实现了一系列基于金属氧化物、硫化物、氢氧化物、导电聚合物、碳材料为构筑基元的多组分核壳结构静电纺纳米纤维及纳米管材料的精准构筑。研究了核壳结构中各种组分之间的相互作用，考察了核壳结构静电纺纳米纤维及纳米管催化剂材料在类过氧化物酶催化、电催化分解水、燃料敏化太阳能电池电极催化以及选择性催化降解有机染料反应中的催化性能，探讨了催化剂组成、尺寸、界面微观结构、壳层厚度以及金属纳米粒子引入对其催化性能的影响，阐明了核壳结构纳米纤维及纳米管催化剂界面电荷转移效应与其催化性能之间的构效关系，揭示了其协同催化本质，从而为高性能复合纳米材料催化剂的制备提供重要依据。