基于“晶面控制-异质界面”效应调控的软铋矿类复合光催化剂的设计合成与构效关系研究

The development of efficient sillenite photocatalytic materials has important scientific significance and practical value for solving environmental problems. However, the reported sillenite photocatalysts usually have poor charge separation efficiency and photocatalytic activity due to its structure and functional defects. Based on band matching principle, some bismuth-based semiconductor materials including Bi2WO6, Bi2MoO6 and BiVO4 will be selected as Bi source and the second phase materials to construct facet modified sillenite-type heterostructures via a facile “hydrothermal-ion exchange” approach. On one hand, sillenite micro/nanomaterials with defined facets will be easily obtained by the optimization of experimental parameters (e.g., reaction temperature, pH value, precursor concentration, solvent type and ratio, the type and amount of surfactant). On the other hand, the “part ion-exchange technology” will bring intimate contact between heterogeneous components and result in the successful load of second phase materials onto the defined facets of sillenite materials. According to the photocatalytic degradation tests of some toxic organic molecules, the influence of “facet control-heterojunction interface” effect on the photocatalytic efficiency, charge separation and transfer will be explored with the help of spectral analyses and photoelectric measurements. Essential factors of the high photocatalytic activity will be proposed. This project will enrich the preparation technology of sillenite materials, and provide new research ideas for the development of new photocatalytic materials.

研制和开发高活性的软铋矿类可见光催化剂对于解决环境污染问题具有重要的科学意义和实用价值。然而已报道的此类光催化剂由于自身结构及功能缺陷普遍具有较低的光生电荷分离效率和较差的可见光活性。基于能带匹配原则，本项目拟以钨/钼/钒酸铋等铋系半导体材料为铋源和第二相物质，运用水热-离子交换法将其部分转化，构筑晶面负载型软铋矿类异质光催化剂。通过调节反应体系的温度、pH、前驱体浓度、溶剂种类及配比、表面活性剂种类及用量等，制备具有特定暴露面的软铋矿材料；利用离子的部分交换带来异质组元间的密切接触，同步实现第二相物质在软铋矿材料裸露晶面上的紧密负载。进一步以有毒有机小分子的光催化降解为探针反应，并结合光谱分析、光电化学等方法，探讨晶面调控的异质界面性质对光生电荷的分离、转移以及催化活性的影响，揭示此类光催化剂高活性的本质因素。该项目的实施将丰富软铋矿材料的制备技术，并为拓展新型光催化剂提供新的研究思路。

研制和开发高活性的软铋矿类可见光催化剂对于解决环境污染问题具有重要的科学意义和实用价值。然而，已报道的此类光催化剂由于自身结构及功能缺陷，普遍具有较低的光生电荷分离效率和较差的可见光活性。在国家基金的支持下，三年来申请人一直从事软铋矿类光催化材料的可控构筑及性能调控研究，并取得了一些原创性的研究成果。(1) 以硝酸铋或柠檬酸铋铵为铋源，聚丙烯酰胺为表面活性剂，氢氧化钠为矿化剂，偏硅酸钠/偏钒酸铵/二氧化锗/硝酸铁为M源，通过简单水热反应，成功制备了一系列的Bi12MO20-x (M = Ge，Fe，Si，V等)微纳米材料；通过实验参数的优化调变，揭示了此类材料的生长机制；并对部分样品进行了催化性能研究，相关的研究成果发表在CrystEngComm等著名期刊上，并授权发明专利2项。(2) 以预先制备的钨酸铋纳米片为铋源和第二相物质，通过水热-离子交换法，将所得的钨酸铋纳米片部分化学转化，成功制备了一系列性能优异的软铋矿类复合光催化材料，如Bi25FeO40-Bi2WO6， Bi12TiO20-Bi2WO6，Ag-Bi12GeO20-Bi2WO6等，相关研究成果发表在Applied Surface Science等期刊上。(3) 以所得的Bi25VO40立方块为原料，在反应体系中引入CTAB、CTAC或KI，通过控制化学转化的程度，成功制备了多级多孔的Bi24O31Br10，薄饼状的Ag-Bi24O31Cl10以及Ag-Bi7O9I3-Bi25VO40复合光催化剂，相关的研究成果发表在Materials & Design等期刊上。(4) 此外，我们还在高效电催化电极材料领域进行了有益的尝试，制备了两例性能优良的电催化剂，相关的研究成果分别发表在Nano Energy和Journal of Materials Chemistry A (Selected as Inside Back Cover)上。三年来，总计以第一作者或通讯作者身份发表SCI论文16篇，影响因子8.0以上的2篇，授权中国发明专利2项；培养硕士生5人，其中1人获得硕士研究生国家奖学金；团队成员张超晋级副教授，张雷获安徽理工大学中青年学术骨干称号。