[00121273]利用晶格失配应力窄化带隙的新型纳米复合光催化剂的开发及光催化性能研究

1、课题来源与背景 课题来源与国家自然科学基金。半导体光催化技术在利用太阳能降解有机污染物和分解水制氢方面显示出巨大的应用前景,被誉为是解决环境污染和能源危机问题的一种理想“绿色技术”。窄化半导体光催化剂的带隙对拓展其光响应波长范围、提高可见光催化活性、推动光催化技术的工业化应用具有重要意义。目前,提高钛氧化物可见光催化活性所采用的改性方法主要有离子掺杂、半导体复合和光敏化,其中,除了离子掺杂外,其它几乎所有的方法均是从外部因素或间接方式来拓展光响应范围,而半导体自身的能带结构并未发生变化。离子掺杂从本质上改变了半导体的物理化学性质,通过形成载流子的浅势捕获阱来拓展半导体的光响应范围。但与此同时,产生的浅势捕获阱也是载流子的复合中心,如果掺杂不当,会加速光生载流子的复合,导致光催化活性降低;另外,离子掺杂往往会引起半导体的稳定性下降。探索更为有效、直接窄化半导体带隙的新途径,对拓展半导体的光响应范围、推动光催化技术的工业化应用具有十分重要的意义。 2、研究目的与意义 本项目通过选取合适的第二相作为内核,以光催化剂为壳层,采用聚丙烯酰胺凝胶法制备核/壳型纳米复合颗粒,利用两相之间的晶格失配应力调控光催化剂的晶格参数,实现窄化其带隙,达到拓展光催化剂的光响应波长范围、提高可见光催化活性的目标。通过系统研究材料的制备、结构和光催化性能,探索它们之间的内在关联机制,开发出高效可见光响应的新型纳米复合光催化剂,为推动光催化技术的工业化应用奠定基础。 3、主要论点与论据 理论和实验研究表明,压力（或应力）可导致材料的晶格参数或对称性发生改变,进而引起能带隙的改变。本课题提出了一种利用核/壳结构的晶格失配应力窄化光催化剂的带隙,以提高其可见光催化活性的新思路。 4、创见与创新 采用聚丙烯酰胺凝胶法、水热法、共沉淀法等先进的纳米材料制备技术系统开展了包括BiVO4、La0.7Ca0.3MnO3、La0.7Sr0.3MnO3、TiO2、NiFe2O4、BiFeO3、Bi2Fe4O9、CaTiO3、LuFeO3、SrTiO3、BaTiO3、Bi2WO6、Ag3PO4、CuBi2O4、Bi4Ti3O12等各种新型半导体光催化材料纳米结构的制备。研究了络合剂、pH值、离子浓度、结构导向剂等实验参数对纳米材料的纯度、形貌、尺寸的影响;通过调节优化实验参数制备出球状、多面体、长方体、菜花状、片状、珊瑚状等各种独特的纳米结构。利用XRD、SEM、TEM、BET、XPS、PL、紫外-可见漫反射光谱等各种先进的材料表征技术研究了制得纳米材料的晶体结构、电子结构、显微形貌、成分等。系统研究了制备的各种纳米光催化剂在模拟太阳光照射下降解有机染料的光催化性能及光催化机理,总结出光催化剂颗粒尺寸、形貌对其光催化活性的影响规律。大多数半导体受光激发产生的电子-空穴对很容易复合,光子的利用率低,光催化活性不高。针对这一关键问题,采用石墨烯、g-C3N4、Ag纳米颗粒对La0.7Sr0.3MnO3、BiFeO3、SrTiO3、CaTiO3、NiFe2O4、BaTiO3等光催化剂进行修饰,制备出复合光催化剂,并对其光催化性能和机理进行了系统研究。结果发现,复合光催化剂中光生电子/空穴对可有效分离,使得光催化性能得到了增强。此外,钛氧化物半导体的带隙较宽（3.2 eV）,只能吸收波长小于388 nm的紫外光,因此太阳能的利用率很低。针对这一问题,以CoFe2O4、SrFeO3为核,BaTiO3为壳,制备出核壳结构的CoFe2O4/BaTiO3、SrFeO3/BaTiO3纳米复合颗粒,利用二者之间的晶格失配应力,使BaTiO3的带隙变窄,从而增加了可见光的吸收。 5、社会经济效益,存在的问题 受本项目资助,已完成并发表研究论文32篇,其中30篇发表在SCI收录期刊,1篇发表在EI期刊,研究成果受到了国内外同行广泛关注。同时,培养青年教师1名、硕士研究生13名、联培博士研究生2名。 6、历年获奖情况 部分研究成果“过渡族金属氧化物纳米颗粒的制备及性质研究”获得甘肃省高校科技进步二等奖（2014年）。