多形态Au、Ag纳米颗粒自组装体修饰磁负载TiO2纳米纤维的合成与性能研究

Self-assemblies of noble metals exhibit a series of coupling-enhanced physical and chemical properties, which has enormously potential application in the field of new-type nano-semiconductor photocatalysis. The project advances a new construction of magnetic loading TiO2 nanofibers decorated by multi-morphological self-assemblies of Au or Ag nanoparticles to explore the enhanced mechanisms of the whole synergy effect of noble metals on the photocatalytic properties of materials. The existing problem of difficult recycling in the water purification treatment process of TiO2 1D nanomaterials can be resolved by adjusting the structure characteristics of magnetic nanoparticles loaded on the inner surface of composite nanofibers. The research contents are focused on the formation mechanism of self-assemblies of Au or Ag nanoparticles/TiO2 composite nanomaterials, and the influencing mechanisms of surface energy band structure and the energy transfer behaviors of semiconductors. Regulation mechanisms of photophysical properties and carrier transport properties of composite materials will be investigated by controlling structure types, distribution, chain length, particle size, the distance on fiber surface of the self-assembly of noble metals and so on. The enhanced mechanisms of photon conversion efficiency and photocatalytic reaction rate can be illuminated by using the combination of local coupling effect and schottky effect of the self-assembly of noble metals. Furthermore, the influence mechanisms of surface plasmon resonance effect on the efficiency of energy transfer and spectral response range of plasmonic structures can be emphatically studied. The implementation of this project will be capable of developing new key technology for preparation of TiO2 composite nanofibers, eventually promoting the practical progress of TiO2 nano-sized photocatalysts.

贵金属自组装体具有一系列耦合增强的物理化学特性，在新型纳米半导体光催化领域的应用前景巨大。本项目提出基于多形态Au、Ag纳米颗粒自组装体修饰磁负载TiO2纳米纤维的构建，探索贵金属的整体协同效应对材料光催化性能的增强机制。通过调控磁性纳米颗粒在纤维内表面的结构特征，解决TiO2一维纳米材料在水体净化中难以回收的问题。围绕Au、Ag纳米颗粒自组装体/TiO2纳米复合材料的形成机理及表面能带结构、半导体能量传输行为的影响机制进行探讨，研究自组装体的结构类型、分布、链长、颗粒尺寸、相对表面距离等对材料的光物理性能、载流子输运性能的调控机制，阐明局域耦合效应、肖特基效应等对光量子转换效率及光催化反应速率的增强机制，研究表面等离子体共振效应对等离激元结构的能量传输效率和光谱响应范围的影响机制。本项目的实施将形成全新的TiO2纳米复合纤维的制备关键技术，推进TiO2纳米光催化剂的实用化进程。

能源危机与环境污染对现代社会发展和人类生存环境造成了日益严重的影响，成为现阶段亟待解决的全球性难点问题。绿色新能源技术发展和产业化是解决能源危机、改善环境问题的根本出路。其中，半导体光催化技术展示出许多传统吸附和催化技术难以匹及的优势，为清洁绿色燃料的推广及有机污染物和重金属离子的无害化处理提供了新的途径。. 本项目提出基于多形态Au、Ag纳米颗粒自组装体修饰磁负载TiO2纳米纤维的构建，探索贵金属的整体协同效应对材料光催化性能的增强机制。通过调控磁性纳米颗粒在复合纤维内表面的结构特征，解决TiO2一维纳米材料在水体净化中难以回收的问题。围绕Au、Ag纳米颗粒自组装体/TiO2纳米复合材料的形成机理及表面能带结构、半导体能量传输行为的影响机制进行探讨，研究自组装体的结构类型、分布、链长、颗粒尺寸、相对表面距离等对材料的光物理性能、载流子输运性能的调控机制。.在国家自然科学基金的资助下，项目组成员已经在贵金属的形貌调控与性能研究、微纳米光催化材料的合成与表征、半导体复合纤维的设计、合成与性能研究等方面开展了一系列创新性的研究工作。截至目前，标注本项目基金资助的SCI学术论文共计22篇，其中，以第一负责人为通讯作者的SCI学术论文共5篇；以第一负责人为第一发明人获批国家发明专利共计13项。. 本项目的实施不仅丰富了TiO2基复合纤维的研究内容与制备技术，推动了TiO2基光催化剂的实用化进程，还对多种半导体微纳米材料（如SnO2、α-Fe2O3、Fe3O4、ZnO、Mn3O4、CdS等）及其复合材料的合成与性能研究进行了深入探索，获得了一批具有优异光催化、Fenton催化及气敏特性的半导体微纳米结构。本项目得到的相关研究成果在现阶段半导体氧化物及其复合材料的设计、合成与应用领域具有重要的理论意义和科学意义。