可见-近红外光响应的金属酞菁/Bi2MoO6纳米管异质结光催化剂的构筑及其性能研究

Environmental pollution have become increasingly serious issues for human beings to confront in modern society. Photocatalyst, has broad prospect of application in the fields of waste-water treatment, air purification, and so forth. The research object is the heterogeneous structure composed of metal phthalocyanine and Bi2MoO6 nanotubes in the project. It is expected to obtain a new kind of visible and near-infrared-driven heterogeneous photocatalysts with rich solar-harvesting capability, higher photocatalytic activity and excellent ability of recycling. Firstly, the Bi2MoO6 nanotubes with smaller diameter, high specific surface area, thinner wall is controllablly fabricated; Donor-acceptor model is performed to investigate the types of bonding to select the promising metal phthalocyanines. And then, metal phthalocyanines/Bi2MoO6 nanotubes heterostructures are controllablly fabricated by a solvothermal technology. the type of metal and substituent groups of metal phthalocyanines and microstructures of the heterostructure is investigated, in order to study influence on the photocatalytic properties of Bi2MoO6 nanotubes. And finally, the photocatalytic mechanism of this heterogeneous photocatalysts would be proposed by combining the results of verification experiments and theoretical simulation experiments.

环境污染已成为威胁人类生存的严峻问题。光催化材料在污水处理、环境净化等方面有着极为广阔的应用前景。本项目的研究对象是由金属酞菁类化合物与Bi2MoO6纳米管构成的异质结光催化材料；主要目标是获得太阳光利用率高、光催化性能优异、循环使用性能良好的新型可见-近红外响应异质结光催化剂。具体研究内容包括：可控制备直径小，管壁薄，比表面积大，表面活性位点多的Bi2MoO6纳米管材料；结合电子给体-受体模型筛选出适合与Bi2MoO6纳米管产生化学键和的金属酞菁化合物，并可控制备可见-近红外响应的金属酞菁/Bi2MoO6纳米管异质结材料。研究具有不同金属核或外围取代基的酞菁对Bi2MoO6纳米管光催化性能的影响；探讨材料的微结构与其光催化活性的关系；同时，结合辅助性实验、验证性实验以及理论模拟实验结果，揭示该异质结光催化剂的催化机理。

环境污染与能源危机是当今人类社会面临的两大难题。探索绿色高效的污染处理技术，研发可持续、可再生的清洁能源及其存储系统意义重大。.本项目通过溶剂热合成、离子交换反应等软化学方法，以铋系氧化物为基体，构筑了多种铋系氧化物/金属酞菁异质结纳米材料，系统地研究了降解甲基橙（MO）、双酚-A等有机污染物的光催化活性和使用性能。研究发现，异质结的形成促进了光生电子-空穴对的有效分离和转移，显著提高了铋系氧化物的光催化活性。金属酞菁的引入，使异质结材料体系的光响应范围扩展至可见-近红外区域，极大的提高了复合材料的太阳光利用率。同时，异质结材料体系具有良好的可分离和重复使用性能；通过电纺技术和溶剂热相结合的方法，成功合成了基于铋系复合氧化物纳米纤维的半导体异质结构。研究表明，在异质结的界面处铋系复合氧化物纳米纤维和在其表面的次级结构接触紧密。异质结构在可见光下表现出强的催化活性，主要由于异质结界面的光诱导电位差抑制了光生电子空穴对的复合。异质结纳米纤维材料体系具有的高比表面、三维开放等特性提高了光催化活性，其宏观纤维网毡结构也使其具有良好的可分离和重复使用性能；设计开发了一系列高性能金属氧化物体系的超级电容器电极材料，采用简易高效的电沉积法及水热法在多种导电基底上合成了高性能的ZnO/MnO2, H-TiO2/MnO2及 ZnCo2O4/Ni(OH)2核壳纳米线阵列。通过X射线光电子能谱、拉曼光谱等实验手段以及莫特-肖特基理论量化地研究了表面修饰对过渡金属氧化物电极材料电化学性能的影响。研究表明异质核壳结构结合三维纳米阵列能提供大的反应面积和短的电荷/离子输运通道，有效提高电极反应动力学进而实现高能量密度和高功率密度并举。同时，利用其自支撑结构与三维多孔结构特性制备了柔性固态超级电容器件。上述研究成果为开发新型环境与能源材料提供了一条有效途径。在Journal of power sources、Journal of Materials Chemistry A、Dalton Transactions等杂志上发表SCI论文20篇。