化学成分诱导的烧绿石型铌酸盐的能带调控及液相可控合成

Photocatalysis is a highly appealing process for environmental purification by direct application of solar light. Pyrochlore-type (A2B2O7) structured niobates contain Nb element with d0 electronic configurations, and possess three-dimensional networks formed by corner-shared octahedral NbO6 units, where the relatively delocalized Nb 4d states near conduction band minimum result in a higher mobility for the photoinduced electrons. By selecting chemical composition of A, or partially replacing chemical composition of B in A2B2O7 structure, some novel photocatalysis materials with UV or visible light activity can be found. Here, we continue our research on the influence of chemical composition on the energy band and crystal structure of pyrochlore-structured niobate photocatalysts. Then the sleccted pyrochlore-structured niobates are controllablely synthesized by solution-phase routes. The influence of hydrothermal conditions on the structure and morphology of particles are studied, as well as the relationship between chemical composition, crystal structure, or particle morphology and photocatalysis activity. The obtained research results provide experimences and techniques for selected elimination of organic pollutants.

光降解可以直接利用太阳光移除水体和大气中的有机污染物，所以有望成为解决环境问题的有效技术途径，然而仍需调控催化剂能带以提高光响应范围及其催化活性。烧绿石型铌酸盐以具有高光电活性的离子外层具有d0构型的d区金属Nb为基础，以复合氧化物A2B2O7结构框架为母体，通过选择A位金属元素(形成A2Nb2O7型)，或在不改变主体结构的情况下进行B位部分取代(形成A2BNbO7型)而调节能带结构，可以构建新颖高效的紫外/可见光响应的光催化材料。我们前期结果证明烧绿石型铌酸盐对有机污染物具有高效的光降解能力，依此为基础，本课题拟继续研究烧绿石型铌酸盐的A、B位离子对其能带结构及晶体结构的影响机制，探索所优选烧绿石型铌酸盐在液相结晶环境中的可控、简便制备，明确化学组分、晶体结构、微观形态与催化活性之间的关系以及降解机制，为选择性消除或转移污染物提供材料和化学转化的基本依据。

有效利用光催化技术可以移除水体和空气中的有机污染物（如多氯联苯、偶氮染料、多环芳烃、甲醛等），所以有望成为解决能源和环境问题的有效技术途径之一。以纳米材料及纳米组装技术为基础的微反应平台，可提供或原位构建微环境界面，通过与污染物的界面作用而触发纳米材料独特的催化转化效应，从而安全、高效地选择性清除有机污染物。因此发展相应的具有特定组成、结构、形貌和特殊功能的纳米材料及纳米组装集成技术是当今材料领域基础研究的热点之一。铌酸盐通常具有多变的成分和晶体结构，表现出较强的光吸收促进剂和载体的特性，它们一般具有稳定的网状、隧道状结构，可提供众多的光化学活性反应点，为原子振动提供了宽阔的空间位，利于瞬时极化场的形成以加速光生电子及空穴的分离；晶体中高度扭曲NbO6八面体也能够强化内在电场或偶极矩，进而有效分离电子和空穴，减小其复合机率，提高光催化效率。本项目研究了铌酸盐的光响应及光电活性与组分、晶体结构的关联，探索了铌酸盐纳米材料结晶过程中结构及形貌演变的化学过程，发展其结晶界面的调控规律，液相合成出MnNb2O6、SnNb2O6、Nb3O7(OH)三种铌酸盐光催化材料，并以光催化降解有机污染物或光催化还原Cr(VI)为探针反应评价在紫外或可见光区不同成分、结构、晶面、表面化学状态的晶粒的光催化活性差异；在其基础上揭示污染物与纳米材料界面的相互作用及微观机制，使其能够定向诱导一类常温常压光化学反应。同时将所开发的液相反应体系、表面活性剂调控结晶等拓展运用到多类别无机氧化物的合成，获得了CeO2纳米管光催化剂、MgO-ZnxMg1-xO复合氧化物光催化材料；硫酸钙基吸附材料等，共发表SCI论文15篇（含第一作者和通信作者5篇），申请国家发明专利6项，培养硕士研究生3名（已毕业）。...