基于贵金属、半导体和磁性材料三元复合纳米光催化剂的可控制备及耦合机理研究

Semiconductor photocatalysis has become one of the important research subjects in the field of environmental protection. According to the overseas and domestic research status of the semiconductor photocatalyst and the corresponding research progress in our group, we propose the study on the controllable synthesis and coupling mechanism of hybrid photocatalysts based on magenetic materials, noble metals and semiconductors. In this program, the hybrid photocatalysts are fabricated by incorporating magnetic and noble metal materials into a semiconductor photocatalysts through chemical process. Based on the controllable synthesis of the hybrid photocatalysts, the mechanism of the influence on the magnetic, optical and photoelectric properties by the coupling effect of the different materials will be systematically studied. The corresponding mechanism of the influence on the energy level structure, photo-generated electron and hole pairs, and photocatalytic activities of the semiconductors by the noble metals and their localized surface plasmon resonance (LSPR) will be revealled，which will provide theoretical guidance for the design and synthesis of the reasonably structured hybrid photocatalyst. This program shows a new idea for the purpose of obtaining a visible light resposive, high efficiency, stable and magnetic recovery and the pratical application of the hybrid photocatalyst.

随着全球环境治理技术的日益发展，半导体光催化技术成为当今环境科学领域的研究重点之一。结合国内外关于半导体光催化剂的研究现状与本课题组的相关研究进展，本项目提出开展以贵金属、半导体和磁性材料为基础的三元复合纳米光催化剂的可控制备以及耦合机理的相关研究。项目拟通过化学方法将贵金属和磁性材料共同引入半导体纳米光催化剂体系，从而获得三元复合纳米结构，并且在复合材料可控制备的基础上，系统研究材料的不同结合形式对其磁学、光学、光电等物化性质的内在决定机理，揭示贵金属及其局域表面等离子体共振（LSPR）特性对半导体能级结构、光生载流子以及光催化活性的影响机制，为构建结构合理的三元复合纳米光催化材料提供理论指导，以期获得具有宽光谱响应能力、可磁回收、高效、稳定的复合光催化剂，从而为实现纳米光催化剂走向实际应用提供一种新思路。

当前，能源与环境问题是亟待解决的关键问题。半导体纳米材料由于其特殊的能带结构与光电性能，受到了科学家的广泛青睐。对于单一半导体光催化剂来说，制约其推广应用的因素主要包括：（1）对太阳能利用率低。（2）工业化成本高。鉴于此，国内外大量研究工作者将目光集中在了半导体基复合纳米光催化材料的开发与应用研究上。. 本项目主要研究内容包括：（1）复合纳米材料的可控制备研究；（2）复合材料之间的相互作用机理的研究。取得的重要结果和关键数据如下：. 1. 采用方波电位沉积法成功制备了以ZnO种子覆盖的衬底，从而改进了旋涂法带来的不可控性。并通过电化学沉积的方法在衬底上制备出了ZnO纳米线阵列。在此基础上采用温和的液相沉积法在ZnO纳米线周围沉积了一层TiO2纳米锤状结构，从而得到了高比表面积的ZnO@TiO2核壳复合阵列薄膜。该结构具有高比表面积，光化学活性位点较多，并具有较好的电子空穴对分离效率，因此具有优秀的光电化学性能和高的光催化活性。. 2. 采用两步法成功制备了Au@SnO2棒状核壳结构。通过改变CTAB的浓度实现了SnO2壳层的厚度的有效调控，并对相关的机理进行了详细探讨。在紫外-可见光作用下，显示出更加优异的光催化活性。并通过FDTD模拟，对光催化活性提高的机理进行了进一步探讨。. 3. 系统研究了Au纳米颗粒的LSPR对CdTe半导体量子点光致发光性能的影响。结果表明，造成CdTe量子点猝灭主要有两种原因：两者之间的非辐射能量转移和直接接触造成的电子转移。该实验结果有助于澄清半导体和贵金属LSPR耦合的相关机理，从而指导项目中相关材料的设计与制备工作。. 4. 采用两步法成功制备了TiO2@g-C3N4核壳棒状阵列结构。研究发现该结构在可见光下显示出增强的可见光响应能力，具有更高的光催化活性。并结合第一性原理计算，对相关的增强机理进行了进一步分析，提出了Z型反应机制。另外，该工作提出的制备方法为g-C3N4基复合材料的制备提供了一种参考。