面向内蒙古自治区丰富钽矿和稀土矿资源转化利用的高效光催化材料合成及其宽光谱响应机理研究

针对内蒙古自治区丰富钽矿和稀土矿资源优势和现状，该项目着重探索把这些钽矿和稀土矿资源优转化成绿色技术优势的新途径。在已有研究的基础上，通过材料设计和结构改性，并借助溶液化学方法把钽矿和稀土矿资源转变成微结构（粒度，形貌，晶相结构）可控的系列钽基光催化纳米半导体材料A1-xRExTa1-yMyO3 (RE=稀土元素, M=过渡金属)。利用稀土和过渡金属双掺杂修饰结构，利用计算机模拟和光谱学技术研究电子结构、表面活性位点、催化剂表面缺陷和活性位点之间的耦合作用对光生电子空穴分离以及光催化性能的影响，揭示结构调变对宽光谱响应的作用规律，阐明微结构对有机污染物吸附和分解活性的作用机理。通过本项目，期望获得2-3种具有高效光催化性能的钽基半导体纳米材料，形成1-3项具有我国自主知识产权的新型高效光催化剂的专利技术，为内蒙古自治区钽和稀土资源在环境净化技术方面的综合利用提供理论和技术支撑。

随着现代科学技术的高速发展，过度使用非再生资源所造成的能源危机和环境污染等问题已经成为世界范围的严峻问题。本项目利用钽酸盐化合物特殊的价带和导带位置，以及AB位较易调控的结构性质，研究其作为催化剂在光解水制备氢能源及光催化降解环境污染物等用方面的应用技术和催化机理，探索开发新型光催化剂。.本项目通过水热方法合成了钒、铬、锰、铁、钴、镍、铜、锌掺杂NaTaO3纳米催化剂，采用DFT方法对金属离子掺杂效应进行了机理研究,根据实验测定的光吸收和光催化活性，与催化剂的电子结构相关联，发现金属掺杂可以影响到价带附近的能带结构，掺杂的金属元素可在钽酸盐类半导体间隙形成杂质能级，掺杂金属离子d轨道能级位置直接决定了掺杂半导体的能带间隔，因此会对其光吸收以及光催化活性产生影响，根据这样的结果我们提出金属离子掺杂对NaTaO3光催化剂能带结构和能带隙宽度的影响,获得设计能带结构可控的光催化剂的基本原则。进一步我们也研究了双掺杂对催化剂性能的影响，发现通过调控A或B位置掺杂元素以及掺杂浓度可以很好的调控催化剂的能带结构和带隙间隔，从而达到可控设计光吸收和光催化性能较好的催化剂的目的。同时本项目研究了金属氧化物与NaTaO3复合光催化剂,发现复合材料较纯NaTaO3转移电子的能力明显增强，能带间隙变窄，太阳能利用率变大，合成的Fe2O3/NaTaO3复合光催化材料紫外光条件下光降解亚甲基蓝反应一小时后脱色率可达90%，同时实验证明Fe2O3/NaTaO3的反应机理是先富集后发生降解反应，因此是有前途的微量有机污染物的光催化剂,水热方法制备的SnO2 /Sn2Ta2O7复合产物 ，在可见光下不到20分钟甲基橙的降解率即达到了100%。总之,本项目根据该类材料的光学性能及光催化活性，通过计算机模拟和光谱测量技术，研究了晶体微观和能带结构信息，表面活性位点、催化剂表面缺陷和掺杂效应的耦合作用对光生电子空穴分离和光催化性能的影响，通过本项目的研究初步摸清掺杂离子对NaTaO3光催化剂的改性规律和催化机理,通过设计掺杂位置和掺杂浓度,可以达到调控该类催化剂太阳能的吸收光谱范围并改善催化剂的催化活性。.本项目资助下，共发表学术论文19篇，其中SCI收录11篇，EI（及SCIE）收录论文7篇，获授权专利1项，项目主持人2011年入选内蒙古自治区草原英才计划项目。项目组成员（含学生）参加国内外会议13人