新型可见光响应的二氧化钛-原钒酸铟-氧化亚铜三元异质结构复合材料的制备、应用及光催化作用机理的研究

基于能带工程的设计思路，将n型半导体二氧化钛与窄禁带n型半导体原钒酸铟和p型半导体氧化亚铜组装成新型三元异质结构复合材料，利用半导体不同能级的相互耦合和异质结构的特异性，实现材料的可见光响应，提高材料的光催化效率。本项目拟利用溶胶-凝胶法或沉淀法等湿化学法组装纳米尺度的二氧化钛-原钒酸铟，再通过湿化学法复合氧化亚铜，通过材料组成的设计和实验条件的优化，实现材料成分、结构以及性能的调控；采用固相法制备二氧化钛-原钒酸铟异质结，再通过湿化学法复合氧化亚铜，选择最佳复合比，优化制备条件；考察所制备的三元异质结构复合材料对可见光分解水制氢和可见光降解有机污染物的催化性能；采用第一性原理计算三元异质结构复合材料各界面处的几何和电子结构，结合材料的表征和光催化性能的研究，探索光催化性能的调控机制，探讨光催化过程的作用机理，为其他体系半导体复合材料的设计、制备或基础研究提供理论依据和实验数据参考。

实现半导体材料的可见光响应和抑制光生电子-空穴的复合是光催化领域中亟待解决的两大难题。本研究利用半导体不同能级的相互耦合和异质结构的特异性，成功组装了新型纳米TiO2–InVO4–Cu2O三元异质结构复合材料，并对其可见光降解有机污染物和可见光分解水制氢的催化性能进行了研究。结果表明，TiO2–InVO4–Cu2O对甲基橙(MO)、罗丹明B(RhB)和亚甲基蓝(MB)具有不同的可见光催化降解活性。以普通的9 W节能荧光灯为光源照射5 h，10wt%InVO4-40wt%Cu2O-50wt%TiO2对MO的降解率达89.13%，经6次循环使用，降解率仍保持在约80%。以设置了400 nm滤光片的300 W氙灯为光源，单独的TiO2、InVO4和Cu2O均没有显示出产氢活性，但TiO2与InVO4和Cu2O以低浓度(分别约为1wt%)复合后，显示出一定的产氢活性，表明它们之间存在着协同效应。以近年来引人注目的BiVO4替代TiO2–InVO4–Cu2O中的InVO4,以普通的9 W节能荧光灯为光源照射8 h，RhB的降解率达到了98%。通过XPS、UV-vis/DRS、荧光光谱、EIS、空穴和电子的捕获等手段结合能带结构的理论探讨了其光催化反应机理，指出了提高三元异质结构复合可见光催化剂性能的关键所在，为新型可见光响应的半导体催化剂的设计和制备提供了新的思路。.结合光催化领域的最新研究进展，成功组装了新型纳米TiO2–Cu2O-还原石墨烯（RGO）、 TiO2–Cu2O-C3N4等三元异质结构复合材料，均表现出优异的可见光催化活性。尤其是TiO2–Cu2O-C3N4可瞬间降解溶液中多种有机污染物。例如，以设置了420 nm滤光片的300 W氙灯为可见光源并加入H2O2辅助光催化降解，在3、10和15 min内可分别降解完全RhB、MB和MO,可见光催化活性均明显大于相应的单组份和双组份催化剂。.在探索TiO2的制备过程中，在同时添加NaF和HCl的条件下，通过溶剂热法成功制备了具有高能{001}和{100}面的锐钛矿型TiO2。首次观察到了削角三棱柱形貌的TiO2。单独制备的TiO2经300 W氙灯照射3 h，对RhB的降解率达90.0%，脱除率为92.7%，均远大于NaF和HCl其他添加条件下所制备的TiO2以及商用P25的光催化活性和RhB的脱除率。