纳米金与石墨烯协同作用提高TiO2光催化性能的研究

TiO2是性能优异的光催化剂，在此基础上如何提高其光催化活性、产生可见光活性是研究的方向和难点。本项目拟利用纳米Au的表面等离子体共振(SPR)效应及石墨烯(GSs)的导电、吸附性能与TiO2的协同作用，提高TiO2的光催化活性和产生可见光活性。研究GSs对TiO2、纳米Au光生电荷的迁移机制和分离作用，探讨Au、GSs、TiO2界面电荷迁移机制；研究GSs吸附性能与TiO2、纳米Au光催化活性的关系；研究纳米Au的SPR效应及GSs的导电、吸附性能与TiO2的耦合作用机制，以及可见光活性调控机制；通过上述研究来揭示纳米Au的SPR效应及GSs的导电、吸附性能与TiO2的协同作用本质。本项目研究对光催化剂的协同作用机制的认识以及物理化学本质规律的揭示具有重要的理论意义和实用价值。

TiO2是理想的光催化材料之一，但其带隙较宽只能吸收紫外光，光生电子-空穴对复合率较高光催化效率较低。本课题利用纳米Au的等离子体共振效应(SPR)与石墨烯(GSs)的吸附和导电性能的协同作用，提高TiO2的紫外光催化活性并产生可见光催化活性。本课题主要在以下三方面进行了系统深入的研究。第一，在醇热法制备样品过程中，GO(石墨烯氧化物)乙醇溶液中残存微量水、添加微量水或通过NH4HCO3原位分解产生微量水，都可以增大TiO2的粒径，提高TiO2的结晶度，抑制光生电子-空穴对的复合，并促进{001}高能暴露晶面的形成，从而提高TiO2/GSs复合物及TiO2的紫外光催化活性。以残存微量水的GO乙醇溶液为前驱体，得到的TiO2-20wt%GSs复合物的紫外光降解甲基橙(MO)活性是TiO2的16.9倍；添加适量水、通过适量NH4HCO3原位分解产生微量水，TiO2的紫外光降解MO活性分别提高了10.2倍和14.5倍。第二，在静电自组装与水热相结合方法制备样品过程中，逐渐提高GO与TiO2的重量比（1~30wt%），可以调变GSs表面TiO2的浓度，分别得到高密度TiO2/GSs、低密度TiO2/GSs以及GSs-TiO2-GSs夹心结构(简称GTG)复合物。其中，GTG复合物具有最佳紫外光降解亚甲基蓝活性和紫外光电流密度，分别是TiO2的12.2和35.5倍。第三，构建Au/TiO2@GSs异质结构复合物，Au、TiO2和GSs界面紧密接触促进电荷分离和转移，抑制电子-空穴的复合。紫外光激发下，TiO2光生电子分别转移到纳米Au和GSs上，促进TiO2光生电子-空穴的分离，GSs优异的吸附性能，富集低浓度染料，Au/TiO2@%GSs复合物的紫外光降解MO活性是TiO2的5.7倍；纳米Au的SPR效应吸收可见光，产生的光电子注入到TiO2导带并继续向GSs转移，产生可见光活性，Au/TiO2@%GSs复合物的模拟太阳光降解MO活性是TiO2的3.2倍。因而通过纳米Au的“电子储库”作用及SPR效应与GSs优异的吸附和导电性能的协同作用，既提高了TiO2的紫外光活性，又产生了可见光活性。