多元协同界面修饰铋系光催化材料的构筑及酚类化合物的深度氧化

Bismuth-based photocatalyst has been considerable researched because of the tunable energetic band structure and high charge mobility. To improve the carrier separation efficiency, increase the number of photo-induced oxidative free radicals, and deep oxidative degrade the phenolic compounds in a broadened spectral range, bismuth-based photocatalyst with multi-collaboration interface will be prepared by doping with rare elements, coupling with a narrow band gap semiconductor, and modifying with electronic transmission medium. The effects of the preparation conditions on the morphology and activity of the catalyst will be studied systematically, and the relationship between the composition, structure to activity will be revealed. Microcalorimetry will be used to analyze the formation mechanism of bismuth-based composite photocatalyst. By investigating the photocatalytic oxidation degradation of phenolic compounds on the bismuth-based composite photocatalyst, the kinetic factors which influence the reaction rate and selectivity will be determined, and thereby the mechanism of photocatalytic reaction will be elucidated. In particular, the inner relationship between the generation, relaxation and recombination of the photo-induced carriers and the adsorption, oxidation and desorption in the photocatalytic reaction process will be clarify. Finally, the formation mechanism of the multi-collaborative interface will be revealed, the method to adjust the energetic band structure of bismuth-based photocatalyst will be developed, and the relationship between the microstructure and the oxidation ability for phenolic compounds will be known. The project aims to provide a scientific basis for application of photocatalytic oxidation of phenolic compounds on bismuth-based composite photocatalyst.

基于铋系光催化材料的能带结构可调性、高电荷流动性的特点，采用稀土元素掺杂、窄带隙半导体耦合、电子传输介质沉积，构筑具有“内建电场”、强氧化性能的多元协同界面修饰铋系光催化材料，以期拓宽铋系光催化材料的光响应范围，提高载流子的分离效率，增加氧化活性自由基数量，实现含酚废水在宽光谱范围的深度氧化降解。研究如何基于微量热原位检测技术分析铋系复合光催化材料的生长过程与机理；考察铋系复合光催化材料的组成、结构和氧化性之间的构效关系；探讨光催化多相反应过程中光生载流子的产生、驰豫、复合等微观过程与吸附、氧化、脱附等宏观步骤的内在关联。解决多元协同界面的构建机理、能带结构的调控策略、铋系复合光催化材料的微观结构与宏观反应速率之间的靶向关系等科学问题，为光催化深度氧化酚类化合物的应用提供科学依据。

光催化以其反应条件温和、能直接利用太阳能转化为化学能的优势，备受人们的关注。高性能的光催化剂是光催化技术得以实现的关键所在。本项目从光的捕获能力、光生电子空穴对的分离效率、氧化还原电位的大小、表界面发生吸附-化学反应的能力等方面着手，通过纳米微结构调控、表面基团修饰、能带剪裁、异质结构筑等手段，攻克光催化反应过程中光响应能力差、载流子易复合和界面反应传递速率低等难题，研发出系列Bi系复合光催化剂，建立纳米光催化剂微结构与催化活性的构-效关系，探索了构建富铋型有机-无机杂化异质结复合光催化材料的策略、二维超薄与表面缺陷协同增强光催化材料界面的策略、多电场协同效应调控电荷动力学的策略、晶面工程-电荷空间分离协同调控光催化性能的策略和同步驱动还原半反应和氧化半反应增强光催化固氮效率策略，揭示有机污染物、无机小分子在催化剂表/界面上的定向迁移与反应转化机制，在常温常压下实现反应物的吸附-富集、锚定降解和吸附-活化、反应转化。研究成果为构筑高效结构化光催化剂、水体污染防治和氮气分子固定领域的开发和应用提供重要的理论依据。项目执行期间，在国内外期刊发表论文32篇，其中SCI收录23篇，二区以上15篇。培养硕士研究生18名，现有在读硕士生10名，培养的研究生中有4人获优秀硕士毕业生称号；2人获国家奖学金、宝钢奖优秀学生奖学金；4人考取博士研究生。申请国家发明专利5项。在国家自然科学基金项目的引导下，获批陕西省科技厅项目1项；获陕西高等学校科学技术奖二等奖、陕西省研究生创新成果奖一、二等奖。项目主持人入选陕西省中青年科技创新领军人才、延安市圣地名家。项目主持人作为带头人，组建了新兴交叉学科绿色低碳材料与工程1个，获批陕西省2011协同创新中心1个。参加了各类国际国内学术会议15人次。