高效TiO2基三维框架材料构筑、结构调控及其吸附-光催化协同去除水中微量有机污染物

Micro-organic contaminants (MCs) pollution in aquatic environments has become a global environmental problem since MCs were frequently detected from water sources in China even around the world. The applicant recently found PPCPs, typical MCs, could be efficiently photocatalyticly decomposed by nanoporous TiO2 film with exposed {001} facets under UV irradiation and 185 nm vacuum UV (VUV) irradiation, and the nanopores on TiO2 facets played an important role in this process. In this project, we plan to first design and constract hierarchical TiO2 based 3D hydrogel framework materials and pure ultralight TiO2 framework materials, then adjust theirs structure. We will investigate the effects of active TiO2 facets ratio, quantity and dimension of nanopores on active facets, quantity and type of oxygen defect, composite with graphene and decoration with noble metal by single-atom dispersion on the performance to remove MCs in water by adsorption-photocatalysis. In addition, we will investigate the adsorption-photocatalysis kinetics, learning the impacts of light source and flow rate on the long-term performance of as-synthesized 3D framework materials. The relationship between the structure of 3D framework materials and theirs activities for MCs adsorption-photocatalysis removal will be discussed and the key influencing factors will be clarified to obtain economic and high efficient TiO2 based 3D framework materials with large specific surface area, strong adsorption-photocatalysis activity and long-term stability.

随着微量有机污染物（MCs）在我国以及世界各地水源中被频繁检出，水中MCs污染已成为全球性环境问题。申请人前期研究表明，{001}晶面暴露纳米孔TiO2薄膜对水中PPCPs类MCs有很好的紫外光催化降解作用，并发现材料表面纳米孔对光生载流子分离和羟基自由基生成有重要作用。本项目将首先构筑分级结构的TiO2基复合水凝胶和TiO2纯相超轻三维框架材料并进一步对其结构进行调控，研究TiO2活性面比例、活性面上纳米孔数量和尺寸，氧缺陷数量和种类，与石墨烯复合，贵金属单原子分散修饰等对框架材料吸附-光催化降解MCs性能的影响；研究吸附-光催化反应动力学，考察光源种类、流速等对催化剂长期使用性能的影响，阐明材料结构与其吸附-光催化降解水中MCs性能的关系，明晰材料结构影响其性能的关键因素，从而研制出具有大比表面积、吸附-光催化活性强，对水中MCs具有长效去除能力的高效的TiO2基三维框架材料。

针对我国以及世界各地水源中被频繁检出的微量有机污染物（MCs）造成的全球性环境问题，在课题组前期关于{001}晶面暴露纳米孔TiO2薄膜对水中PPCPs类MCs的优异光催化性能研究成果基础上，构筑了分级结构的TiO2基复合水凝胶和TiO2纯相超轻三维框架材料并进一步对其结构进行调控，用于吸附-光催化降解水中典型MCs，深入研究了结构对其吸附-光催化降解MCs性能的影响及作用机制，成功获得了具有大比表面积、吸附-光催化活性强，对水中MCs具有长效去除能力的高效的TiO2基三维框架材料。研究的重要结果及关键数据如下：（1）在可控制备{001}晶面暴露纳米孔二氧化钛薄膜基础上，调节其活性面比例、活性面上纳米孔的数量和尺寸，并进行贵金属单原子分散调控，获得的材料稳定性好，动态VUV光照仅0.5min可将100ppb的止痛灵完全降解；仅0.3s可将200ppb的甲苯降解45.88%。UV光照24min可将100ppb的止痛灵完全降解。（2）采用冷冻法制备了3D-TiO2纳米线/GO超轻框架材料，通过氢气还原、真空热处理辅助等手段，调节了该框架材料中氧缺陷的数量和种类，该材料对低浓度止痛灵吸附率达到8.06%，UV光照60min去除率达到98.5％，VUV光照3min去除率达到96.8％。（3）采用两次常温共还原法成功制备了分级结构GO/石墨烯-TiO2纳米线复合水凝胶三维框架材料，该材料对低浓度止痛灵吸附率达到21%，UV光照120min去除率达到99.0%，VUV光照3min去除率达到100%。（4）优化制备了多级孔Ti基金属有机凝胶，并通过高温碳化衍生得到纯相TiO2框架材料，该材料最大限度减小了框架对光的阻挡作用，充分暴露TiO2的活性位，显示出优异的光催化活性。这些结果对于发展经济高效的水中MCs净化材料具有重要的科学意义和实用价值，对于TiO2基三维框架材料在其它方面的应用也有重要的参考价值。课题资助成果包括：以通讯作者在国际SCI刊物发表论文8篇；申请国家发明专利1项，授权国家发明专利1项；参加国内外学术会议/学术交流19人次，主持国内会议分会场1次；已培养博士2名，硕士6名，在读博士生1名，硕士生1名。同时，在该项目的资助成果基础上，申请人获得2019年国家自然科学基金面上项目资助。