新型微结构光催化剂的设计与性能研究

本项目拟以光子晶体In2O3、Ag3VO4和具有多重激子产生效应的量子点材料CuO、CdSe等为基础，探索新型微结构光催化剂的设计方法。通过理论计算并结合实验调整，同时调控电子和光子的运动规律，构造晶格失配小、界面缺陷少和界面清晰的微结构光催化剂；利用光子晶体的特点，进一步调变光子的反射、吸收与透射和界面电子（空穴）转移特性，抑制载流子的辐射复合，减小过热载流子效应，提高体系中光生载流子(电子，空穴)的分离几率，可有效提高新型微结构光催化剂对难降解有毒有机污染物的量子效率和太阳能利用率。本研究对深化半导体光催化的作用机理，指导设计新型高效宽光谱响应的光催化剂体系都具有重要的科学意义。

可利用太阳能的多相半导体光催化技术，不但能直接分解环境污染物，而且可深度矿化无二次污染，所以开展半导体光催化研究对于从根本上解决环境污染问题具有重大的战略意义。本项目制备出TiO2、ZnO等光子晶体和量子点CdSe 修饰的具有宽光谱响应（紫外及见光）的一系列新型微结构光催化剂。结果表明，光子晶体TiO2、ZnO和Ga2O3等高效光催化剂在紫外或可见光照下，对污染物甲基橙、罗丹明B有很好的降解性能，均表现出了优于P25的光催化活性和活性稳定性。金属氢氧化物ZnSn(OH)6和SrSn(OH)6等是一类具有高活性的紫外光催化材料。ZnSn(OH)6对空气中苯有机污染物的光催化降解效率和矿化率远高于P25（TiO2），苯的转化率约为75%，矿化率约为68%，而且对环己烷和丙酮也有很好的光催化活性。CdSe量子点修饰的TiO2系列材料具有很好的可见光催化活性，其可见光催化降解MG的反应速率常数k值分别是纯相TiO2、CdSe QDs、TiO2-xNx和体相CdSe修饰的TiO2的52.5倍、4.5倍、4.6倍和7.2倍。首次报道了一种简易廉价的方法制备以壳聚糖为碳源和氮源制备氮掺杂碳修饰的二氧化钛复合材料（Cts/TiO2）。研究表明：该复合材料能够将光吸收范围扩展至650 nm；样品CTS/TiO2-25 具有最好的活性，可见光下（420 nm < λ < 800 nm）光照30 min，罗丹明B（1X10-5 moL/L 80 mL）降解率可达到96.8%，这是氮掺杂TiO2 活性的4.8 倍。本研究揭示了有机污染物在新型光催化材料上的反应机理, 对深化半导体光催化的作用机理，认识控制多相光催化过程的量子效率的关键因素，指导设计新型高效宽光谱响应的光催化剂体系都具有重要的科学意义。