可见光响应异质半导体纳晶多孔薄膜的制备及催化性能研究

纳米ZnO一维半导体能够快速收集和轴向转移光生电子呈现高的光催化活性，在水净化方面具有巨大的应用前景，但最大缺陷是纳米ZnO不稳定性和局限于紫外光激发。本项目拟将纳米一维和聚集体ZnO均匀分散在稳定的TiO2体相内，形成多孔的、高比表面积的、能够产生多重散射的异质TiO2-ZnO纳晶薄膜。同时，在成膜的TiO2或ZnO晶格内掺杂碘，拓展光响应范围至可见光区域，达到最大效率利用太阳光降解水中污染物。实验采用涂敷法和dip-drop法在合适基底上构筑碘掺杂TiO2-ZnO纳晶多孔薄膜。通过调配成膜组成、浓度、温度等来控制膜粒子的尺寸和形貌、孔隙率以及膜厚度，特别是通过调控ZnO在TiO2体相内的分数、粒径和形貌来得到最大可资利用的异质半导体光催化剂。探究掺杂态碘在可见光激发下的电子转移历程以及和TiO2或ZnO导带耦合传输电子的动力学行为，为全波段利用太阳光处理污染物提供理论基础和产业化支持。

本项目以提高通用型半导体氧化物薄膜的光催化效率为目的，设计制备了一类兼具可见光响应的、多重散射的、良好的电子传输特性以及稳定性的光催化薄膜材料，并使之成功用于水环境污染物光降解。具体研究结果如下：.1、(I-)TiO2和(I-)ZnO：利用水热法和溶胶-凝胶法制备出(I-)TiO2纳晶和微米级(I-)TiO2，研究显示：I-TiO2纳晶兼具可见光响应 和大比表面积双重性能，而微米级I-TiO2具有良好的光散射特性。同时，利用溶剂热法制备ZnO聚集体和ZnO纳米棒阵列，结果表明：ZnO聚集体兼具较大比表面积和强光散射性能；ZnO纳米棒阵列具有良好的电子传输特性。.2、可见光响应多孔异质半导体薄膜：将ZnO聚集体均匀分散于I-TiO2体相内，采用涂覆法制备了I-TiO2-ZnO以及I-TiO2薄膜。碘掺杂半导体薄膜可以扩展光响应至可见光区域。同时，利用浸渍或旋涂法将I-TiO2纳晶包覆在ZnO纳米棒阵列表面，获得一维I-TiO2-ZnO薄膜，所制备的薄膜兼具良好的电子传输和可见光响应特性。通过调配成膜组成、浓度、温度等宏观可控量，以及调控ZnO粒径和形貌获得了宽太阳光谱吸收的异质半导体氧化物光催化剂。.3、可见光响应多孔异质薄膜光/电催化性能：分别采用罗丹明-B、荧光素钠和曙红作为降解底物，在可见光照射下，研究I-TiO2与I-TiO2-ZnO薄膜对三种单染料体系、Flu/RhB及EO/RhB双染料体系中的光电降解动力学曲线。结果表明：薄膜在双染料体系中的光降解效率高于单染料体系，这主要源于双元染料的协同敏化作用；同时，薄膜的光电催化降解污染物效率高于光催化和电催化降解效率。.4、光电催化机理研究：对I-TiO2和I-TiO2-ZnO薄膜的光电催化机理进行了深入系统的研究，结果发现：碘掺杂半导体薄膜拥有更低的电子传输阻力、更高的光响应能力和更负的导带电位。探究了碘在可见光激发下的电子转移历程以及和TiO2或ZnO导带耦合传输电子的动力学行为，最终获得了可见光响应的、可循环使用的、及多重散射的异质半导体薄膜材料。.本项目研究成果已在国际学术刊物上发表SCI论文13篇，申请专利5项，其中授权2项。作为第一完成人申报的项目荣获2012 年中国石油和化学工业联合会科技进步奖二等奖。参加国际会议3次，国内会议3次。培养博士研究生6名，培养硕士研究生11名。