高效纳米线基异质结光催化构筑的设计合成及光驱动消除污染性气体氮氧化物的研究

The project intends to develop efficient one-dimensional nanowires-based heterojunction photocatalytic construct for the photocatalytic oxidation of nitric oxide (NO). This research includes the following sections: 1) Fabricating aspect ratio controllable, highly-reactive facets exposed titanium dioxide or metal nanowires, based on pressure-and-temperature controllable microwave technology and traditional solvothermal route; 2) Synthesizing highly efficient titanium dioxide nanowire-based heterojunction photocatalysts through depositing noble metal and coupling narrow-gap semiconductors; 3) Designing core-shell structured nanowire heterojunction photocatalysts based on metal nanowires, in which metal nanowires as the inner core can accelerate the transfer rate of the electrons with reduced combination rate of photo-generated electron-hole pairs, to improve the photocatalytic efficiency; 4) Developing novel and efficient photocatalytic reactor to be utilized in the removal of NO. The formation scheme, the photocatalytic mechanism and the structure-activity relationship of the as-formed various nanowire-based heterojunction construct will be proposed, based on the above results and the information of the radicals involved from the photo-generated electrons and holes, obtained by the electron paramagnetic resonance spectrometer. The electrical, optical and thermally stable properties of the nanowire-based heterojunction systems will be investigated via various characterizations, such as photocurrent, impedance, surface photo-voltage spectroscopy, and thermal gravimetric analysis, for the design of novel, efficient, and stable photocatalytic construct to be utilized in the photocatalytic oxidation of NO.

本项目拟开发高效一维纳米线基异质结光催化构筑应用于光催化氧化处理氮氧化物的研究。研究内容主要包括如下几个部分：1）基于压力、温度可控的现代微波技术或传统溶剂热技术，获得长径比可控、高活性面暴露的氧化钛及金属纳米线；2）通过贵金属沉积、窄隙半导体耦合等方法合成高效氧化钛纳米线基异质结光催化剂；3）基于金属纳米线合成具有芯壳结构的高效纳米线异质结光催化剂，其中金属纳米线作为内芯可以加速电子的转移，减少光生电子与空穴的复合，提高光催化效率；4）开发新型高效光催化反应器，应用于NOx的去除。基于上述研究和电子顺磁共振波谱仪检测光生电子与空穴转化为自由基的情况，探索不同纳米线异质结构筑形成机理、光催化反应机制和构效关系。利用光电流、阻抗、表面光电压谱、热重分析等对纳米线基异质结体系的电学、光学和热稳定性等进行分析，最终设计出新型、高效、稳定的光催化构筑应用于NO的光催化氧化处理。

在自然科学基金（批准号：21207090）的资助下，针对本项目提出的可见光光催化氧化NO的效率低、低浓度下速率慢、传统NO消除过程中，能耗大，二次污染多等问题，通过本人及5位学生的研究，申请书中所列研究计划的要点已基本完成。本项目分析了目前光催化在气相污染物处理应用的瓶颈问题，在微观方面制备了多种具有异质结结构和可见光激发特性的光催化剂，并对其在氮氧化物氧化方面的构效关系进行了研究；在宏观方面设计了具有不同光照条件的流动相气相光催化氧化氮氧化物的反应器；在技术方面，通过使用高端微波溶剂热合成技术精确控制高温高压反应条件，解决普通水热或溶剂热技术受热不均匀、成晶不均匀等亟需解决的问题。对光催化过程中所产生的光生电子，本项目通过金属纳米线、碳纳米管、氧化钛纳米线（管）等有效转移，降低了光生电子与空穴的复合率，提高了光催化反应效率。此类一维复合异质结及晶面异质结光催化剂在光催化氧化NO试验中活性大大增加。另外，通过制备金属掺杂的类MOF结构，及Ti3+自掺杂氧化钛，使得光催化氧化NO在可见光区显示了很好的应用。总体来说，紫外光照射下，流动相光催化氧化NO的去除效率最高可达80 %以上，可见光照射下，去除效率也可达50 %以上。理论方面，我们研究了NO的光催化氧化机理、失活机理，发现其主要产物为NO3-离子，能被有效吸收去除，无二次污染，且在室温下此反应就能进行。这一污染控制技术能从一定程度上缓解传统脱硝技术中存在的反应条件苛刻、二次污染大等缺点，还可以进一步放大和应用在室温室内空气净化系统。因此，在环境净化领域具有较好的应用前景。. 受本项目资助，已发表与本项目相关SCI源论文（含录用）14篇，同时还有2篇文章在审稿，处于修改阶段。已申请专利9项，其中授权3项。共培养了已毕业硕士研究生3名，其中1人获上海市优秀毕业生；培养了硕博连读学生1名，另外3名硕士生于2016年5月也即将毕业答辩。项目研究过程中，积极协助组织举办了2014年资源化学国际研讨会，参加了国内相关学术会议，并作口头报告。