[00147987]具有优异光电活性的二元异质纳木复合结构的调控合成与性能研究

半导体光催化剂降解有机污染物,因其利用可再生资源的太阳能以一种绿色、节能、环保的理念而成为最具有应用前景的研究领域。随着对光催化技术的深入研究,对现今半导体光催化材料的结构设计及协同效应研究提出了更高的要求。目前,主要围绕着抑制光生电子-空穴复合及量子产率等方面改进,开展半导体光催化剂的组装设计,如将半导体分别与非金属或与其他半导体复合,都是提高半导体光催化效率且响应可见光行之有效的方法。另一方面,空心结构纳米材料,如:空心球、空心立方块、纳米管等,因其新颖独特的物理化学性质,在催化、药物传递及电催化等众多领域具有潜在应用。本项目通过对传统单一组分的半导体进行结构和组成上的改进,将两种或两种以上具有不同物理化学性能的纳米材料进行复合所得到纳米异质材料,从外通过多种方法构建空心结构,对不同功能材料进行整合,实现优势互补,并将获得的材料进行光电化学性能研究。主要的科学发现点如下： 1.利用简单的一步溶剂热法制备出了一种新颖、大小均一的C包覆花瓣状CdS纳米结构,并首次利用共聚焦微拉曼技术测定出在高功率下C包覆CdS纳米复合结构依然具有纯的CdS特征信号,而纯的CdS不具有本征信号,展现出包覆过炭纳米涂层的产品具有强的耐光腐蚀特性,炭的包覆除了对硫化镉表面的保护、还被证实可以增强对可见光的吸收、促进光生电子和空穴的分离,这些功能使得CdS-C异质结纳米粒子展现出良好的光稳定性及增强的光催化降解能力。 2通过溶剂热法制备出一种大小均匀的三维铁饼状BiVO4纳米等级结构,并以此为模板,利用简单的水热辅助的阴离子交换反应获得组分可调的介孔空心多孔铁饼状BiVO4/Bi2S3异质结构,与传统模板法不同,本方法中所制备的BiVO4模板不仅起到了支撑骨架的作用,同时也作为一种自牺牲模板直接参与了介孔空心结构的形成过程,产品完全保持了模板均一的形貌和稳定的结构,研究发现,在阴离子交换反应中,反应温度对于通过可肯达尔效应获得具有介孔壳层的空心结构扮演者一个很重要的角色,并且纳米复合结构中Bi2S3的含量可以通过改变参与离子交换的Na2S的量来控制,成功的实现了对纳米异质材料的调控合成。这种由不同能带的半导体（BiVO4和Bi2S3）组成的异质材料会提高光生电子的产生同时减少电子-空穴的复合,因此展现了优越的光电流响应和可见光光还原Cr（VI）的性能。 3采用多步法制备了磁性可回收的巢状双层结构γ-Fe2O3/ZnO空心球。具体是以胶体炭球为模板通过快速的微波辅助反应合成C/FeSx核壳球,然后通过简单的溶胶凝胶的方法,在上述物质上沉积一层ZnO形成C/FeSx/ZnO复合材料,最后通过后续锻烧除去炭球,最终得到由Fe2O3空心球和镶嵌在其表面的ZnO纳米片组成的γ-Fe2O3/ZnO双层空心结构。由于其特殊的空心结构,具有低密度、高比表面的特性,使得制备的材料能够在可见光照射下降解多种有机染料如亚甲基蓝、罗丹明和甲基橙并且具有很好的稳定性,可作为重复使用的光催化剂。 截止2014年12月31日,经《Web of Science》统计,10篇代表作共被SCI收录论文引用高达492次,其中他引446次,受到国内外同行的高度关注。其中2013年发表在国际化学顶尖期刊《Angew. Chem. Int. Ed, 》 [见论文1]上的论文被选为并被评选为Very Important Paper （VIP）及inside cover文章。2014年发表在《Angew. Chem. Int. Ed., hot paper》[见论文2]上,并被ESI评选为高被引论文。2012年发表在RSC期刊《Nanoscale》[见论文7],也被评选为高被引论文。此外,项目成果还获中国发明授权专利5件（ZL 201410594256. X; ZL 201510148053. 2; ZL 201210466894. 4; ZL 201410440334. 0; ZL 201210466728. 4）。