基于SPR效应增强异质结可见光薄膜光催化剂研究

The heterostructure photocatalytic films (Rutile TiO2-Sn/Ag/Anatase TiO2-N, codoped Rutile TiO2/Ag/codoped Anatase TiO2) with the high visible activities enhanced by surface plasmon resonance (SPR) would be synthesized by sol-gel method. There should be a synergetic effect of the SPR of noble metal nanocrystals, charges seperation by heterostructure, and ion doping on the enhancement of visible activities of photocatalytic films. The Ag nanocrystals deposited at the interface of heterostructure would significantly enhance the synergetic effect of SPR and photogenerated charge separation in the heterostructure as well as the photonic scattering, resulting in the high utilization efficiency of photogenerated charges and incident photons. With the tuning of sizes, shapes and deposition density of Ag nanocrystals, the effects of SPR absoption and "hot spots" on the photocatalytic activities of catalysts would also be studied detailedly. Accordingly, the photocatalytic theory for this kind of heterostructure films will also be proposed properly.

本项目拟采用溶胶-凝胶等物理化学合成方法，制备具有高可见光催化活性的表面等离子体共振增强异质结薄膜光催化剂（Rutile TiO2-Sn/Ag/Anatase TiO2-N及(双掺Rutile TiO2)/Ag/(双掺Anatase TiO2)），该薄膜催化剂将贵金属表面等离子体共振增强效应（SPR）、异质结电荷分离效应、离子掺杂效应进行有机地结合，发挥其协同增强作用，实现高活性可见光催化剂的制备。Ag纳米晶沉积在复合膜异质界面处可最大程度的实现表面等离子体共振增强与异质结空间电荷区电荷分离的有效结合，并增强光散射，显著提高光生载流子及入射光的利用率；借助调节复合膜中Ag纳米晶的粒径、形貌、阵列密度，研究SPR吸收带谱形及峰位、SPR"热点"数量及其电磁场强度对该复合膜催化活性的影响，并拟在微观量子水平阐明该复合膜光催化机理，为高活性可见光催化剂的研制开辟新的方向。

本项目制备了一系列贵金属Ag、Au的纳米结构，研究了其相关性质；采用溶胶-凝胶化学合成方法，制备具有高可见光催化活性的表面等离子体共振（SPR）增强异质结薄膜光催化剂Rutile TiO2-Sn/Au/Anatase TiO2-N类复合膜，该类薄膜催化剂将贵金属表面等离子体共振增强效应、异质结电荷分离效应、离子掺杂效应进行有机地结合，发挥其协同增强作用，表现出优越的可见光光催化活性。研究了Au纳米晶沉积在复合膜异质界面处、复合膜外表面以及复合膜最下层时，对复合膜光催化活性的影响；研究了Au纳米晶沉积在复合膜异质界面处时，Au纳米晶阵列密度对复合膜光催化活性的影响。采用水热法及化学沉积法，制备了Rutile TiO2纳米柱/Bi2MoO6纳米片/Au纳米晶复合阵列薄膜、Rutile TiO2纳米柱/BiOI微/纳米片/Au纳米晶复合阵列薄膜、Rutile TiO2纳米柱/Bi2WO6纳米片/Au纳米晶复合阵列薄膜、Rutile TiO2纳米柱/BiOBr纳米花/Au纳米晶复合阵列薄膜，所制备的SPR效应增强三元异质复合薄膜，均显示出了较高的可见、紫外光催化活性，以及良好的使用重复性。采用水相回流法和电纺丝法，成功制备了CdTe纳米晶和CdTe纳米晶基杂化纤维，为后续制备具有零维/一维复合纳米结构的新型光催化剂奠定基础。采用水热法，制备出了具有高光催化活性的Ag纳米线/TiO2纳米珠复合结构。分别采用FeCl3和CuBr2氧化Ag单质的方法成功制备出具有疏松结构的Ag/AgCl和珠链状Ag/AgBr纳米异质结光催化剂。以水热合成的丙三醇锌菱形片为前驱体制备出由ZnO纳米粒子组成的菱形ZnO纳米片，并在其上负载Ag2O纳米颗粒，得到高活性光催化剂。借助水热法，经刻蚀、沉积负载制得负载有Ag2O纳米颗粒或Au、Ag纳米颗粒的TiO2复合纤维，检测该复合纳米纤维的光催化活性。