对金属氧化物@二氧化钛核壳多孔光催化剂“内核”材料选择依据及可见光催化机理的研究

•.The poor utilization of solar energy and high photo induced electron-hole recombination rate are two main bottlenecks in developing titania based photocatalysts. It is very promising in industrial application once the problem of large-scale-adsorption of visible light is solved. This project will develop a series of core-shell structures by coating TiO2 onto the surface of different metal oxides. At the same time, rising a hypothesis that choosing the metal oxides, with lower band gap than TiO2, as well as higher electronic affinity compared with the work function of TiO2,as core, may lead to the visible light response of the core-shell structure and highly inhibit electron-hole recombination, finally increase the photocatalytic efficiency. The results of photocatalytic experiment will be used to verity the hypothesis, and study the visible light photocatalytic behavior of metal oxides@TiO2 core-shell structures, specially discuss the synergistic effect between core and shell during photocatalytic process. By means of numerical simulation, the electron distribution and optical property of ternary core-shell structure during photocatalytic will be analyzed in order to reveal its photocatalytic mechanism. This project is of important scientific significance in new energy exploration and environmental protection.

较低的太阳能利用率和较高的光生电子-空穴再复合率一直是制约开发二氧化钛基光催化材料的主要瓶颈，一旦突破可见光吸收的问题，其工业应用的前景将不可限量。本项目拟通过在不同半导体金属氧化物表面包覆二氧化钛制备二元核壳结构，开发一种即能吸收可见光又能降低光生电子与光生空穴复合率的高效光催化材料。本项目提出选取低于二氧化钛的带隙、电子亲和能大于t锐钛矿相二氧化钛的功函（W TiO2）的半导体材料为“核”，能够促进吸收可见光、降低二氧化钛光生电子与空穴的再复合，提高整体光催化效率的假设。并应用光催化实验结果验证假说，研究此类核壳结构的可见光催化行为。重点研究“核”与“壳”界面协调作用对宽波段吸收可见光、提高光催化效率的影响。利用数值仿真模拟，研究光量子注入后核壳结构的电子分布情况及光学性质，揭示该材料光催化机理。本项目对新能源开发和治理环境污染问题具有重要的科学意义。

本项目拟通过在不同半导体金属氧化物表面包覆二氧化钛制备二元核壳结构，开发一种即能吸收可见光又能降低光生电子与光生空穴复合率的高效光催化材料。本项目提出选取低于二氧化钛的带隙、电子亲和能大于二氧化钛的功函（W TiO2）的半导体材料为“核”，能够促进吸收可见光、降低二氧化钛光生电子与空穴的再复合，提高整体光催化效率的假设。通过三年的研究，我们开发出了一系列二氧化钛包覆不同金属氧化物的核壳结构，得到了许多重要结果，简述如下：.1..室温下在丙酮溶液中加入钛酸四丁酯与乙二醇的混合溶液，通过溶胶凝胶法可以生成无定型的二氧化钛前驱物球形颗粒；当丙酮溶液中有异质颗粒（如其它金属、金属氧化物、聚合物等）存在的情况下，所生成二氧化钛前驱物小颗粒会优先在异质颗粒表面沉积生长，形成以异质颗粒为“核”二氧化钛前驱物为“壳”包覆的核壳结构。.2..通过100℃水热处理使二氧化钛结晶，能够制备出二氧化钛包覆在不同异质颗粒表面核壳结构。本制备方法简单、温和，具有普适性。以此为出发点，我们制备出一系列不同形貌的金属氧化物与二氧化钛的核壳结构，如Fe2O3@TiO2, V2O5@TiO2, In2O3@TiO2, WO3@TiO2等核壳结构，并通过控制前驱物的用量来调节二氧化钛的壳层厚度。.3..针对如何选择合适的“核”与二氧化钛形成纳米核壳结构作为高效光催化剂，本项目通过光催化实验比较和DFT计算总结出：选取带隙小与二氧化钛带隙，电子亲和能大于二氧化钛功函的金属氧化物，可以有效提高二氧化钛基光催化剂的可将光吸收能力和电子转移效率，最终大幅度提高二氧化钛的光催化性能。.4..“核”与二氧化钛壳的复合比例也是影响总体光催化效率的重要因素，优化的复合比例随金属氧化物的种类而不同，优化后核壳异质结构的可见光催化活性通常比纯二氧化钛高出2-5倍。.本项目将为半导体金属氧化物核壳结构的设计与构筑提供相应的参考，为实现提高二氧化钛基核壳结构的光催化性能提供较为系统的理论指导。在新能源开发和治理环境污染等领域具有重要的科学意义。