基于具有表面异质结构的二氧化钛纳米纸的光催化体系的构建

针对制约纳米二氧化钛光催化技术实现工业化应用的根本问题，本研究提出由一维纳米材料（纳米线、纳米带）制备兼具光催化和膜过滤分离双重功能的非担载二氧化钛纳米纸，解决纳米光催化剂直接使用难以分离回收的难题。通过对二氧化钛纳米带表面修饰贵金属以及组装纳米半导体，形成二氧化钛纳米带表面异质结构，以调控材料的能带结构及其光生载流子传输性能，提高其可见光吸收率以及光量子转换效率。研究异质结构对材料的能带结构、光生载流子输运行为的调控作用机制；阐明异质结的种类、大小、分布结合状态对材料光催化活性的影响。通过造纸工程控制，完善纳米纸的制备工艺。研究纳米纸在空气净化和水体净化中的应用，构建基于二氧化钛纳米纸的连续光催化以及光催化-膜分离耦合技术。本研究的结果将形成全新的、具有自主知识产权的、可实现工业化实际应用的半导体光催化技术，将在环境净化、光解制氢、消毒杀菌、太阳能电池等领域都具有重要应用。

1、发展了在二氧化钛纳米带（TiO2-NB）表面可控合成尺寸均一、高度分散的极小金属(< 2 nm)纳米颗粒的系列技术，构建了各种金属/TiO2-NB纳米异质结构。研究表明：（1）可见光照射下，由于带内或带间激发产生的热电子在颗粒内或金属/TiO2之间的有效分离和传递，赋予(Au,Au-Pd,Pt,Cu-Pt)/TiO2-NB纳米异质结构对苯甲醇有氧氧化反应高的可见光光催化活性。异质结构的纳米带、金属颗粒双金属合金化及其尺寸减小（特别是尺寸< 2 nm的金属颗粒），均可强化热电子的产生和传递从而有效提高金属/TiO2-NB的光催化活性；（2）将金属/TiO2-NB一维纳米结构集成组装为纳米纸，得到一种新颖多孔规整催化剂。该纳米纸催化剂具有三维交叉贯通的孔道，高孔隙率和比表面积，形状与尺寸可裁剪，低密度，高气体通量低阻力，高抗烧结能力。将其应用于醇类分子氧氧化，其中双金属(Au-Ag,Au-Cu)/TiO2-NB纳米纸催化剂，由于极小的金属颗粒尺寸，金属颗粒的表面氧化物包覆结构，金属颗粒尺寸的均一性及其在纳米带表面的高分散性，使其具有优异的催化活性和高稳定性。而Au/TiO2-NB纳米纸催化剂由于光沉积颗粒与TiO2之间的强相互作用，对低温CO氧化显示了极高的催化活性和结构稳定性。2、合成了一种多孔TiO2纤维，其可高效吸附富集废水中的有机染料并同时被敏化赋予可见光光催化活性，从而可有效光催化降解脱除染料而得以重生。3、采用去合金化法，制备了可在温和条件下高效高选择性催化硅烷氧化和硝基苯还原的纳米多孔铜和多孔银催化剂。4、在多孔铜(PC)表面原位置换Au、Ag制备得到的M/PC(M=Ag, Au)多孔催化剂对苯甲醇气相选择性氧化显示了显著提高的双金属协同催化活性和稳定性。5、发展了合金化/去合金化法以及H2模板法在金属丝网表面构建组成及结构可控的分级微-纳米多孔Au-Cu、Ag-Cu薄膜结构。由于双金属协同催化作用、分级孔结构的高比表面积和利于传质的特性，赋予此表面双金属多孔结构对醇类氧化具有优异的电催化和催化性能。6、采用超声水热法可控合成了对甲基兰降解具有高可见光光催化活性的N掺杂钛酸盐/锐钛矿异质结构。7、无助溶剂铸造法合成高分散、稳定有序的介孔结构g-C3N4，其对甲基橙可以有效地吸附并具有高光催化降解活性。