《TiO2纳米结构优化调控与可见光催化性能的构效关系研究》

该项目属于无机合成化学和低维无机非金属材料交叉领域。

光催化技术能够将太阳能转化为化学能,可解决日益严重的能源危机和环境污染问题。TiO2具有成本低、无毒、稳定等优点,被广泛应用于光催化领域的研究,然而纯的TiO2光谱响应范围窄、电子迁移性能差、载流子分离效率低。该项目从材料结构与性能的关系出发,结合材料制备方法和结构优化与调控手段,通过对TiO2进行微结构调控和异质结构筑、重构光催化剂能级结构等,从而提高TiO2对可见光的响应性能,打通载流子迁移通道,最终实现可见光催化性能的提升。具体内容及发现点如下:

1.界面调控氧化制备还原态TiO2-x并原位复合构筑紧密结合的异质结。以稳定的TiH2为Ti源、绿色环保的H2O2为氧化剂,采用氧化法制备了还原态TiO2-x。发现Ti3+和氧空位(Ov)不仅存在于TiO2-x颗粒表面,而且存在于晶格中,避免了还原法制备的Ti3+仅存在于颗粒表面而易被氧化的缺点;提出了“表面氧化-界面扩散-氧化还原”反应机理,解决了纯TiO2不能响应可见光、电子迁移性能差、载流子分离效率低的问题。而采用原位复合构筑的紧密结合的还原态TiO2-x基异质结进一步促进了光生载流子的分离,降低了载流子复合几率。该创新点为拓展材料光吸收范围、促进光生载流子分离、提高材料的光催化性能提供了新途径。

2.反向合成策略同步实现TiO2的掺杂和多孔结构的形成。采用反向合成策略,以单质S溶胶、I2溶胶为软模板并同时作为掺杂剂、致孔剂,以钛酸丁酯为Ti源和C源制备了含有Ti3+/Ov以及S,C共掺杂或I2敏化的分级结构介孔/微孔TiO2光催化剂。发现反向合成策略可在后处理过程中同步完成掺杂和形成多孔结构,而且容易控制掺杂的数量、类型和位置;多孔结构增加了活性反应位点和对入射光的散射;碳的掺杂提高了TiO2的热稳定性,从而可解决材料大比表面积和高结晶度的矛盾。该创新点为高效光催化材料提供了新的设计理念和制备方法。

3.表面原子层调控技术实现量子点对TiO2纳米管的敏化。采用基于表面原子层调控技术的原位光致还原和阴离子交换反应,在TiO2纳米管壁内外沉积了紧密结合的、具有等离子体效应的AgBr/Ag量子点和CdS@CdSe(Te)核壳结构量子点,构筑半导体/TiO2异质结和分步能级结构。发现原位光致还原和离子交换反应生成的量子点能够缓解晶格失配,显著降低界面晶格应变,从而有利于光生载流子的分离,达到提升光电转换效率的目的。该创新点为高效光电极的构筑提供了新思路。

该项目的系列工作为通过材料的结构优化与调控来提高性能提供了新理念和新方法,对进一步推动相关技术的发展和实际应用具有重要的科学意义,引起了国内外同行的广泛关注。该项目提供的8篇代表性论文均为JCR一区,其中影响因子大于30的1篇,大于5的5篇;被权威期刊如Chem.Rev.、Chem.Soc.Rev.、J.Am.Chem.Soc.、Adv.Mater.等他引达到679次,其中SCI他引621次;单篇最高SCI他引达到194次;3篇入选“ESI高引用论文”。

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