Ag2CrO4/石墨烯复合材料的可控制备及其光催化活性增强机制研究

The visible-light photocatalytic activity and quantum efficiency of semiconductor materials can be improved by modifying their physical and chemical properties through controllable synthesis methods. This project mainly focuses on the band structure controlling and morphology modification of silver chromate (Ag2CrO4) by doping with VIB transition metal elements. The relationship among the crystal structure, electronic structure, surface properties, visible-light absorbance and photocatalytic activity of the modified Ag2CrO4 will be investigated carefully to reveal the deep mechanism in its photocatalytic degradation of organic pollutants under visible-light irradiation. To further enhance the photocatalytic activity of Ag2CrO4, Ag2CrO4/graphene nanocomposites will be prepared by a surfactant assisted and in-situ growth method. The separation and transfer discipline of photogenerated electrons and holes from Ag2CrO4 to graphene is discussed to understand the reasons for the enhanced photostability and visible-light photocatalytic performance of Ag2CrO4/graphene composite in photocatalytic degradation of organic pollutants. This project will provide new insight into the fabrication of novel Ag-containing multi-metal oxide photocatalytic materials with wide spectral response, high quantum efficiency and good stability for a wide range of applications in photocatalysis field.

半导体光催化材料的结构优化和可控制备是提高其可见光催化活性和量子效率的重要途径。项目以铬酸银（Ag2CrO4）为研究对象，通过引入VIB族过渡金属元素参与能带构建，研究系列含Ag多元金属氧化物的能带优化原则和形貌调控策略，探索含Ag多元金属氧化物的晶体结构、电子结构、表面特性与光谱响应和光催化性能之间的构效关系，揭示其可见光催化氧化有机污染物的机理。另外，采用表面活性剂辅助原位生长的方法制备Ag2CrO4/石墨烯复合光催化材料，研究光生载流子在石墨烯表面的迁移与转化规律，探索石墨烯提高含Ag多元金属氧化物稳定性和可见光催化活性的机制。通过本项目的研究，对制备宽光谱响应、高量子效率和良好稳定性的Ag系半导体光催化材料具有重要意义。

光催化技术可以将低密度的太阳能转化为可存储的化学能，在有机污染物降解、分解水制氢、CO2还原、杀毒灭菌和有机光合成等领域具有广阔的应用前景。Ag系半导体是光催化家族的重要成员。具有4d10电子结构的Ag参与能带构建可以不同程度地提升价带和降低导带位置，并使轨道电子表现出更强的离域性。因此，大多数Ag系半导体拥有较窄的带隙和较小的电荷有效质量。铬酸银（Ag2CrO4）同样拥有较窄的带隙（~1.8 eV）和较小的电子有效质量（~0.46 m0），并因而表现出理想的可见光光催化活性。然而，在光催化研究和应用领域，Ag系半导体存在的关键问题是如何更充分利用它们的光敏特性和进一步提高它们的光稳定性。本研究以Ag2CrO4为研究对象，系统研究了Ag2CrO4的形貌控制技术、能带调控策略以及碳材料复合提高Ag2CrO4可见光光催化活性和稳定性的机制。（1）采用微乳法制备了系列包含VIIB族过渡金属元素的Ag系半导体光催化材料Ag2MO4 (M=Cr, Mo, W)，系统研究了它们的物理化学性质、晶体结构、电子结构和光催化活性之间的关系。实验结果表明，三种半导体的光催化活性和稳定性高度取决于它们对光的吸收能力。其中，Ag2CrO4对光的吸收性能最好并表现出最高的可见光光催化降解染料的活性和稳定性，其表观速率常数分别是Ag2MoO4和Ag2WO4的3.5和1.5倍。理论计算表明，晶体结构和电子结构差异是导致三种半导体光吸收能力不同的主要原因。（2）采用简单沉淀法制备了Ag2CrO4/GO（氧化石墨烯）二元复合光催化材料，该材料表现出优异的可见光光催化降解染料和苯酚废水的活性和稳定性。研究结果表明，GO的最佳复合比例为1.0 wt%，复合体系的表观降解速率常数是纯Ag2CrO4样品的3.5倍。增强的光催化活性和稳定性主要归因于Ag2CrO4与GO组成了Z-型异质结光催化体系，从而促进了光生载流子的分离与转移并使复合体系具有更强的氧化和还原能力。本工作对发展高效Ag系多元金属氧化物/石墨烯复合光催化材料的理论和实验研究具有有益的借鉴意义，有利于构建具有高量子效率的Ag系半导体光催化剂、丰富石墨烯基复合光催化材料的研究、探索提高Ag系半导体光催化材料活性和稳定性的方法。