新型高效TiO2-石墨烯复合光催化剂的制备、表征及其降解环境污染物的研究

This project plans to prepare a series of novel modified TiO2-Graphene composite as a high performance photocatalyst by a simple vaccum activation method.The activation of TiO2,the reduction of graphene oxide and the loading of TiO2 nanoparticles on graphene surface canbe achieved by one-step vacuum activation procedure.Vacuum activation modification induces the generation of Ti3+ and oxygen vacancy in TiO2, resulting into the enhancement of its visible light photocatalytic activity.The photoexcited electrons canbe transfer from TiO2 to graphene due to the excellent conductive performance of graphene, which is promoting the separation of photoexcited electrons and holes.TiO2-Graphene composite will be modified with different elements doping.Doped TiO2-Graphene composit shows enhanced UV and visible light photoctalytic activity.The novel photocatalyst designed in this project possesses excellent adsorption capacity for dye organic molecules,high aqueous-phase photodegradation of organic pollutants, high gas-phase photocatalytic degradation of benzene and other volatile organic pollutants.The microstructure, photochemical property, photocatalytic performance and the structure-activity relationships of composite will be investigated by a variety of characterization methods.The photo quantum efficiency and the internal mechanism of photocatalysis for TiO2-Graphene composite will be revealed in this project.Studies on photocatalytic reaction mechanism and reaction conditions of the novel photocatalyst in this project will provide a theoretical basis for its application research in the future.

本项目采用简单的真空活化法制备了一系列新型高效改性TiO2复合石墨烯光催化剂。真空活化法可以一步实现对TiO2的活化改性产生大量Ti3+和氧缺陷等活性中心，对氧化石墨烯的还原改性以及TiO2纳米颗粒在石墨烯表面的负载。石墨烯可以作为光生电子的传输通道，将TiO2纳米颗粒负载在石墨烯的表面，可以实现光生电子和空穴的有效分离。通过对TiO2纳米颗粒进行进一步的掺杂改性，使得石墨烯复合TiO2光催化剂的可见及紫外光活性大大提高。本项目设计的新型光催化剂对有机污染物分子具有强的吸附性能，并具有高的液相光催化降解有机污染物的能力，及气相降解苯等挥发性有机污染物的能力。借助各种表征手段，系统研究复合光催化剂的微观结构、光化学、光催化性能以及它们之间的构效关系；揭示经过复合石墨烯后TiO2光量子效率和活性提高的内在机制；研究此类新型光催化剂的光催化反应机理及反应条件，为复合催化剂的应用研究提供理论基础。

本项目充分利用还原态石墨烯优异的导电性能及改性TiO2等半导体对太阳光利用率的提高，设计并制备了一系列新型高效光催化剂，并研究了它们在环境污染物的降解及检测等方面的应用。取得的主要研究成果如下：.1、石墨烯复合TiO2光催化剂：以葡萄糖为连接剂，采用一步水热法实现了TiO2纳米单晶在三维石墨烯表面的原位生长，制备的复合催化剂具有高且稳定的光催化活性，相关成果发表在化学领域顶级期刊“J. Am. Chem. Soc., 2014, 136, 5852”上，并入选“ESI高被引论文”及“0.1%热点论文”；此外，采用水热等方法分别制备了不同形貌的石墨烯复合TiO2光催化剂，制得的新型复合光催化剂即具有高的氧化降解有机污染的能力，又具有高的光还原CO2的能力。相关成果先后发表在“Chem. Commun., 2014, 50, 6637”、“Sci. Rep., 2014, 4, 5493”上。.2、石墨烯复合氧化铁光催化剂：采用类Stöber结合水热的方法成功制备了高分散Fe2O3或Fe3O4纳米颗粒复合二维\维石墨烯光催化剂。与传统氧化铁光芬顿试剂相比，石墨烯基光催化剂在中性条件下既具有稳定的光催化降解有机污染的能力，同时又不受反应体系pH值的限制，在环境领域具有很大的应用前景，相关研究成果先后发表在“J. Mater. Chem. A, 2015, 3, 12820”、“Appl. Catal. B, 2016, 186, 216”上。.3、具有特殊结构的TiO2基新型光催化剂：通过在手性碳纳米管内外负载高分散的TiO2纳米单晶，首次利用TiO2的光催化与手性碳纳米管的双折射之间的协同效应，实现了可光催化回收SERS探针的设计与制备，相关成果发表在化学领域顶级期刊“Angew. Chem., 2015, 127, 10789”上；制备了一系列新型掺杂改性TiO2光催化剂，并首次使氟的掺杂浓度达到8.0 at%以上，且其太阳光下光解水制氢的效率达到了Φ=46%，成功打破了黑色催化剂的产氢记录，相关成果受邀以“扉页论文”的形式发表在“Small, 2015, 11, 1920”上。.4、在本项目的支持下，在“JACS”、“Angew”等期刊上发表SCI论文20篇，申请专利3项，协助培养硕士研究生3名，博士研究生5名。