钼基复合氧化物固溶体光催化剂的设计及光催化性能的研究

基于钼基复合氧化物光催化剂Bi2MoO6和PbMoO4的高活性和活性稳定性，本项目拟开展钼基复合氧化物固溶体光催化体系的研究。依据密度泛函理论和半导体能带理论，建立钼基复合氧化物能带结构的理论计算方法，并将其扩展到不同金属及C、F、N等非金属取代的钼基复合氧化物固溶体的能带结构，如禁带宽度、导带和价带位置及其弥散性等的计算。从理论上设计光催化性能较高的催化剂；采用溶剂热、水热、共沉淀以及微波溶剂热等软化学方法制备该类复合氧化物固溶体光催化剂，研究其组成、结构及表面状态对光催化性能和活性稳定性的影响，揭示影响其光催化活性及其活性稳定性的本质因素，最终开发出具有高活性和活性稳定性的光催化剂。该研究为我们深入理解半导体光催化的本质以及开发研制新型光催化剂提供了理论和实验上的依据，对光催化剂的设计具有重要的理论意义。

基于钼基复合氧化物光催化剂Bi2MoO6和CdMoO4的高活性和活性稳定性，本项目开展了金属元素改性Bi2MoO6和CdMoO4的研究。主要取得的研究进展如下：(1)采用微波溶剂热法合成了第二副族金属元素(Zn、Cd)、第三主族金属元素(Al、Ga、In)和第四主族金属元素(Ge、Sn、Pb)掺杂的钼酸铋光催化剂，发现所引入的金属元素的种类和浓度对催化剂的物化性质和表面状态及光催化性能具有较大的影响，对于同一族元素而言，引入的金属元素离子半径愈大，所得到光催化剂的可见光活性愈好。(2)构建了金/石墨烯/钼酸铋三元复合光催化剂，发现金和石墨烯的双修饰作用使得钼酸铋的可见光光催化性能大大提高，究其原因主要由于金和石墨烯两者强的导电子能力，使光生电子和空穴分离效率大大提高，因而活性提高。(3)采用水热方法成功合成了第三主族金属元素(Al、Ga和In)掺杂的钼酸镉光催化剂，Al、Ga成功被引入钼酸镉中，导致多面体畸变，有利于光生电子空穴的分离，因而大大提高钼酸镉的活性，而In3+的半径较大，无法全部引入钼酸镉中，部分存在于钼酸镉表面，成为电子和空穴的复合中心使In改性的钼酸镉光催化剂活性降低。(4)开发了贵金属元素(Ag和Au)改性的钼酸镉光催化剂。由于贵金属的局部表面等离子体效应，Ag和Au的沉积使得催化剂在可见光下有响应，能够选择性氧化苯甲醇变为苯甲醛。在各自所作比例内随着贵金属沉积量的增多可见光响应逐渐增强，可见光下的光催化活性逐渐增加，且沉积贵金属后的选择性良好，均为100%。该项目研究了催化剂的组成(改性金属元素的种类和浓度)、结构及表面状态对光催化性能的影响，揭示影响其光催化活性的本质因素，开发出了高活性的金属改性的钼酸铋和钼酸镉光催化剂。