Ag@Fe3O4/TiO2微纳分级结构的构筑及增强光催化活性研究

The objective of this project is to design and construct Ag@Fe3O4/TiO2 micro/nanocomposite materials with hierarchical structures, upon which to realize the effective removal of organic pollutants in water environment. Surface Plasmon resonance of Ag nanoparticles can be modulated facily by altering their morphology, size and surrounding media, upon which to extend the sunlight response range of the composite materials. The inclusion of Fe3O4 makes the composite materials the magnetic responsiveness,which ensure the easy separation of the photocatalyst from the reaction system. The special fine micro/nano structure and surface modification of TiO2 will enhance the effective absorption for the objective pollutants and light harvesting. The surface Plasmon resonance, magnetic properties and photocatalytic activity of the as-synthesized micro/nanocomposites will be investigated systemically. The relationship between different components and the relative functions will be also analyzed. The comprehensive performance could be optimized by the design and synthesis of micro/nano structural materials. The rules of enhanced photocatalysis of the micro/nanocomposites will be analyzed and the corresponding photocatalytic mechanism will be investigated to promote the reliable degradation for organic pollutants. The current project will pave the way to synthesize high performance visible-light active photocatalyst that possess high visible-light adsorption efficiency, stable recyclability and enhanced adsorption ability for the organic pollutants, which has important scientific significance and potential value of practical applications in solving the water pollutants problems.

本项目以水体环境中有机污染物的有效治理为目标，设计和构筑具有分级结构的Ag@Fe3O4/TiO2微纳复合材料。通过调节银纳米颗粒的形貌、尺寸及其周围电解质环境实现表面等离子体共振吸收峰的调制，拓展复合材料的太阳光响应范围；借助Fe3O4赋予复合材料磁响应性能，达到回收再利用的目的；利用二氧化钛的微纳分级结构及表面修饰提高目标污染物的预富集能力，增强光的捕捉与吸收。揭示微纳复合材料的微观结构与表面等离子体共振效应、光催化性能以及磁响应性之间的关联；通过微纳复合材料的结构设计，实现微纳复合材料综合性能的优化。研究微纳复合材料对有机污染物的增强可见光光催化降解规律，揭示其内在机制，实现对有机污染物的有效治理。本项目的实施，为发展兼具高效吸附、降解以及易于回收循环再利用等多重功能于一体的高性能可见光光催化剂奠定了材料基础，对解决当前全球面临的水环境污染问题具有重要意义与实际应用价值。

以二氧化钛为代表的传统光催化材料，带隙宽，只能利用太阳光中的紫外光；量子产率低，光生电子和空穴易复合，严重制约了其应用。要打破制约光催化材料应用的瓶颈，必须拓宽光催化材料的光响应范围，探索能够吸收可见光的新一代光催化材料，从而提高光催化材料对太阳光的利用率。.本课题以水体环境中有机污染物与重金属离子的有效去除为目标，以Ag@Fe3O4@SiO2@TiO2微纳结构材料的设计合成为研究对象，发展具有多层壳结构的微纳复合材料的可控制备技术，通过对材料的结构设计来实现综合性能的调控与优化。为了探讨多功能微纳复合材料在水环境中有机污染物有效治理领域的潜在应用，将我们制备的Ag@Fe3O4@SiO2@TiO2核壳微纳结构材料用于去除有机物（亚甲基蓝）和重金属离子（Cr（VI））。研究结果表明，Ag@Fe3O4@SiO2@TiO2核壳微纳结构材料在不同光源下对污染物的光催化去除效果远高于商用TiO2 (P25)、纯TiO2微米球、Ag@Fe3O4@TiO2纳米球以及Fe3O4@SiO2@TiO2纳米球；未退火处理的Ag@Fe3O4@SiO2@TiO2材料的光催化性能明显优于退火后的样品。对Ag@Fe3O4@SiO2@TiO2核壳微纳结构材料的光催化增强机制也进行了探讨，其优越的光催化性能可以归功于以下几个方面：微纳分级多孔结构大的比表面积、充足的反应活性点；表面等离子增强的光响应范围；表面超薄纳米片较短的扩散距离和低的光生-电子空穴对复合几率；Ag核的近场电磁增强机制和散射机制，以及光化学稳定性等。更值得一提的是，Ag@Fe3O4@SiO2@TiO2微纳结构光催化剂可借助磁铁进行方便地分离和收集，并且5次循环光催化降解后，光催化去除效率并没有明显减弱，具有优越的磁回收与循环再利用特性。.Ag@Fe3O4@SiO2@TiO2微纳结构材料具有许多独特的优势：Ag纳米颗粒等离子共振吸收峰受其周围大介电常数Fe3O4壳的影响发生红移至可见光区域，从而拓宽了对太阳光的响应范围；Fe3O4与TiO2之间的SiO2过渡层有效地阻止了二者直接接触带来的不利影响，并增强了光化学稳定性；同时，Fe3O4的存在赋予了该复合材料良好的磁响应与分离特性，这种集成不同功能的微纳结构复合材料可望实现水体环境中有机污染物或重金属离子的原位一体的有效治理与循环再利用。