基于低共熔离子液体的高活性纳米TiO2异相结的可控绿色制备

Water splitting into hydrogen and degradation of pollutants by solar energy is an effective way to relieve energy crisis and decrease environmental pollution. The key to realize this goal is the development of highly efficient and stable nano-photocatalysts. Nano-titanium dioxide has been considered to be the most potential applications as a photocatalyst. Aiming at the common problems of cumbersome steps, poor reproducibility, high energy consumption, low green degree and difficult to batch preparation, the study mainly designs and synthesizes green, cheap and easily prepared deep eutectic ionic liquids as solvents, template agents, inhibitors and crystalline phase control agents to attain the fast and easy-controllable preparation of nano-titanium dioxide phase junctions with different morphologies. The quadruple roles that these deep eutectic ionic liquids take on are obtained by adjusting hydrogen bond donors and hydrogen bond receptors and then adjusting the solubility, supramolecular performance and pH levels. The catalytic activity is more effectively improved by the synergy between surface effect and phase-junction effect. In addition, the project explores the influences of experimental parameters on the morphology, phase junction and catalytic activity, and indicates the synthesis mechanism of the catalysts. These findings will provide a new method for the green, fast and easy-controllable preparation of novel and high efficiency catalysts, and a new way for the batch preparation of nano-catalysts.

利用太阳能分解水制氢和降解污染物是一种缓解能源危机和降低环境污染的有效途径。高活性、高稳定性纳米催化剂的研制是实现该目标的关键。纳米二氧化钛是目前公认的最具应用潜力的光催化剂。本项目针对二氧化钛形貌调控和异相结制备过程中步骤繁琐、重现性差、能耗高、过程绿色度低和批量制备困难等关键技术问题，拟设计合成绿色、廉价、易制备的低共熔离子液体，通过调节其氢键供体和氢键受体，进而调节其溶解性、超分子性能和酸碱度等，使其兼具溶剂、模板剂、抑制剂和晶型控制剂的四重作用，在控制晶型的同时，对其形貌进行修饰，实现不同形貌纳米二氧化钛异相结的快速可控制备。通过表面效应和异相结效应的协同作用，更加有效地提高光催化活性。同时考察试验参数对催化剂形貌、异相结和活性的影响规律，揭示该体系中材料合成的微观机理。研究结果将对新型高效光催化剂的绿色、快速、可控制备提供新方法，同时也为其批量生产提供新途径。

二氧化钛是目前在能源转换和环境治理领域公认的最具应用潜力的光催化剂之一，但光生电子空穴易复合是限制其应用的一个重要因素。研究表明异相结的构筑可有效促进光生电子和空穴的分离，进而提升光催化活性。本项目实施过程中，项目负责人基于二氧化钛异相结传统构筑方法中存在的难题，提出了基于低共熔离子液体的新的绿色制备方法并展开了系统研究，同时考察了合成的催化剂在光解水制氢和抗生素降解中的应用，取得了系列成果。首先，发现通过调节低共熔离子液体的氢键受体，可实现二氧化钛板-金结的绿色、温和、可控制备，并且形貌和两相比例可通过调节两氢键受体的比例进行有效调节；其次，发现通过调节低共熔离子液体的氢键供体，可以更加方便、快捷的实现锐-金结的绿色温和制备，并且合成的异相结二氧化钛具有特殊的镶嵌结构，可以形成更多的相界面；除此之外，发现通过调节氢键供体剪裁低共熔离子液体的结构，在构筑异相结的同时，构建高度开放的多级介孔结构，使电子空穴分离效率和活性位的暴露率同步提升，进一步提升了二氧化钛的催化性能。基于以上研究，项目团队在J. Mater. Chem. A、Chem. Commun.和Sensor. Actuat. B-Chem.等工程技术、化学领域重要期刊发表论文6篇，申请发明专利2项，该研究为新型高效异相结催化剂的绿色制备提供了一种新的方法，同时也为其批量生产提供了新途径。