半导体光催化剂在环境和能源方面有重要的应用价值。以P25为代表的纳米二氧化钛(TiO₂)具有突出的光催化性能，但其光催化应用存在两个限制因素，一是仅在紫外区具有光催化活性，难以实现利用太阳光高效光催化；二是由于颗粒在水中分散能力极强，难以实现光催化反应后的回收，而大尺寸的二氧化钛颗粒光催化效率极低，由于光催化理论的缺失和材料设计的局限性，因此光催化出现40余年仍未在水处理上推广应用。

该项目在提出TiO₂纳米带这种具有特殊结构的纳米材料的合成和批量制备的基础上，通过学科交叉，首次将半导体能带工程方法和表面异质的概念与TiO₂纳米带相结合，提出TiO₂纳米带表面异质结构，在光催化剂设计和制备方面取得如下突破：

(1)提出并实现了TiO₂纳米带生长与批量制备技术，利用其一维结构特性，首次提出了并实现了利用传统的造纸技术进行TiO₂纳米纸张的制备，设计并构建了过滤式连续光催化水处理专利装置，为TiO₂光催化技术在污水处理方面的应用开辟了道路。

(2)在国际上首次提出了TiO₂纳米带表面异质结构的概念，利用异质结构界面上半导体能带匹配、肖特基效应、p-n结等内建电场效应，通过能带工程实现了光生载流子载流子界面输运过程的调控；通过将不同带隙的半导体材料与TiO₂纳米带进行表面组装，实现了系列高效宽谱光催化剂；同时，首次将铁电/压电理论用于光催化过程中光生载流子输运过程的调控，并利用超声引发的压电响应对铁电纳米材料内建电场周期性更新与调控作用，在国际上首先提出了基于压电响应的超声辅助光催化概念。研究工作推动了光催化基础理论的研究，引领了光催化技术的发展。

(3)提出半导体缺陷态引起的中间态能级与窄带隙半导体对红外光的吸收可以实现红外光催化的假设，实现了缺陷态Bi₂WO₆和复杂带隙In₂S₃的近红外光催化响应，首次发现WS2纳米片的近红外光催化性质，证实了具有合适能级结构的窄禁带半导体材料的近红外光吸收可以实现载流子分离，并形成自由基，实现对有机污染物的降解，突破了本征窄禁带半导体单相纳米材料的红外光吸收以晶格振动的热转化过程为主的传统认识，为寻找和设计红外光催化材料提供了新的思路；同时，利用碳量子点的红外光吸收，构建碳量子点-缺陷态TiO₂纳米带表面异质结构，实现了全太阳光谱光催化剂。有关红外光催化与全太阳光谱光催化的研究，在国际上处于领跑地位，获得了广泛的关注。

该研究的开展，培养硕士毕业生6人，博士毕业生8人，获得国家杰出青年基金一项；选取的8篇代表作SCI他引达到2031次，应邀在Chem.Soc.Rev.，Adv.Mater.，Adv.Energy Mater.等行业最重要刊物上发表了系列专题综述，获得二氧化钛纳米带及其异质结构材料的相关发明专利授权5项，相关成果在浙江嘉兴瑞奕环保科技有限公司进行了实施，获得了良好的工业化污水深度处理效果，制备了一体化连续光催化工业级水处理设备，并且获批为2017年度嘉兴市装备制造业重点领域首台(套)产品。在以上工作基础上，获得了国家自然基金重点项目(51732007)和重点研发专项政府间国际合作项目(2017YFE0102700)的后续支持。

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