双金属修饰钽酸盐表面等离子体纳米复合光催化剂的可控制备及其可见光分解水制氢性能研究

In this project, we will centralize the advantages from the surface plasmon effect of bimetallic nanoparticles, semiconductor photocatalysts and low-temperature synthesis, select the representative tantalate and bimetal (gold, silver or platinum and other metal deposition /formation of the alloy deposit again) to design the bimetallic decoration surface plasmon tantalate photocatalysts, deeply study the effects of reaction conditions on the growth of tantalate nanostructures; the composition, surface, growth orientation, complex ratios and ways of structure unit of bimetallic decoration surface plasmon tantalate photocatalysts; the controllable regulation and kinetic (or thermodynamic) law of excitation, migration and transformation of photon-generated carrier of nanostructres in the process of photocatalytic hydrogen production, realize the selection and optimization of high-efficency bimetallic decoration surface plasmon tantalate photocatalysts with visible-light-driven photocatalytic hydrogen production, establish a steady theoretical foundation and provide a suitable structure system for the development of ideal photocatalysts with water splitting for hydrogen production.

本课题旨在集中双金属表面等离子共振效应和复合半导体光催化材料以及低温液相合成方法的优点，拟选用具有代表性的钽酸盐纳米材料与双金属（金、银、铂与其它金属共沉积或形成合金再沉积）设计制备双金属修饰钽酸盐表面等离子体纳米复合光催化剂，深入研究钽酸盐表面等离子体纳米复合光催化剂的液相反应制备与调控规律；钽酸盐表面等离子体纳米复合光催化剂体系形成过程与机理，及其能带结构及其电子输运性质的变化规律；双金属修饰钽酸盐表面等离子体纳米复合光催化剂建构单元各自的结构特征、化学组分、生长取向、复合比例及复合方式与复合体系可见光分解水效果的协同关系；双金属修饰钽酸盐表面等离子体纳米复合光催化剂体系可见光分解水过程内在物理机制及反应热力学和动力学规律。以实现可见光响应型双金属修饰钽酸盐表面等离子体纳米复合光催化剂的筛选和优化，为开发具有实际应用价值的光分解水催化剂奠定坚实的理论基础和提供合适的结构体系。

铌/钽酸盐的导带由5d轨道构成，远远高于Ti3d轨道，因此与TiO2相比，光激发铌/钽酸盐产生的e-具有更强的还原能力，更有利于实现高效光催化分解水产氢及水中污染物的去除。然而，铌/钽酸盐较宽的禁带宽度限制了其对可见光的响应，其只能被紫外光激发。在太阳光谱组成中，可见光占到组成的50%左右，而紫外光只占到4%。因此，我们针对课题研究内容和预期目标，对铌/钽酸盐进行了多种修饰，改善其对太阳光谱的吸收，提高其催化活性。我们通过液相水热法和超声剥离法制备出大量形貌新颖的单相铌/钽酸盐纳米材料，经与贵金属复合构筑等离子体光催化剂，与半导体复合构筑异质结复合光催化剂等，深入研究了反应条件对铌/钽酸盐纳米材料形貌，尺寸等物相性质的调控规律；探究了等离子体复合光催化剂和异质结复合光催化剂的体系结构在可见光分解水及污染物去除方面性能的影响规律，以及复合体系光生载流子定向激发、迁移与转化过程中的转移规律，实现了高效可见光响应贵金属或半导体与铌/钽酸盐复合构筑的纳米光催化体系的筛选和优化，为开发具有实际应用价值的理想光催化剂奠定坚实的理论基础和提供合适的结构体系。研究结果表明，这些纳米材料在分解水制氢、有机污染物去除、电化学方面都有优异的性能。.总之，我们在该项目执行期间，获得了大量较有价值的研究成果。目前已发表与本项目相关SCI学术论文21篇，申请专利6项，研究成果获中国石油化工科技进步一等奖一项。