金属氧化物团簇/g-C3N4体系可见光催化降解VOCs的研究

Volatile Organic Compounds (VOCs) are extremely harmful air pollutants as well as the origin source of haze formation and ozone damage. The use of photocatalytic treatment of VOCs is one of the most environmentally friendly technologies, while the synthesis of semiconductors with highly photocatalytic activity under visible light irradiation is the key for the practical application of this technology. In this project, we intend to synthesize graphite carbon nitride (g-C3N4) modified by metal oxide cluster (Fe2O3, CoO, CdO, etc.) based on the computer simulation. The goal of this project is to improve the photocatalytic oxidation and sunlight utilization of g-C3N4, thus obtaining photocatalysts with high photocatalytic activity under visible light irradiation. With proper material characterizations, reasonable theoretical models will be established for exploring the mechanism of enhanced photo-degradation of VOCs by metal oxide cluster. By analyzing the intermediate products from the photo-degradation of VOCs in this system and the calculation of the required free energy of intermediate products decomposition, the degradation pathway of VOCs photo-degradation in this system will be proposed. Therefore, the success of this project will provide the theoretical basis and experimental evidence for designing photocatalytic materials for degradation of VOCs in the future.

空气中挥发性有机物（Volatile Organic Compounds, VOCs）对人体危害极大，同时还是引起雾霾形成和臭氧破坏的原因之一。利用光催化处理VOCs是一种节能环保的技术，而制备可见光下具有高效催化活性的催化剂是其实际应用的关键。本项目以可见光催化剂类石墨氮化碳（g-C3N4)为研究主体，以计算机模拟作为理论指导依据，构建金属氧化物团簇（Fe2O3、CoO、CdO等）修饰g-C3N4光催化体系。旨在提升g-C3N4光催化氧化能力以及太阳光的利用率，设计出可见光下高效分解VOCs的光催化剂材料。通过材料性能的表征，构建合理的理论模型，探索金属氧化物团簇改进g-C3N4光催性能的机制。分析VOCs气体分子在催化体系中降解中间产物，结合中间产物降解所需自由能的模拟计算，构建VOCs分子在该体系下光催化降解路径。从而为今后VOCs光催化降解材料的设计提供相应的科学依据。

本项目以可见光催化剂类石墨氮化碳（g-C3N4)为研究主体，通过元素、缺陷和金属氧化物团簇（CuO、Ag2O、Fe2O3）掺杂改性的方式提升g-C3N4材料光催化性能。通过材料表征、理论模型的构造与计算并结合催化性能结果的分析与讨论，构建体系增强g-C3N4光催化性能的机制。本项目主要对两种不同类型改性g-C3N4材料体系可见光催化性能进行研究：(1)采用改性g-C3N4前驱体的方式制备C和缺陷共掺杂g-C3N4材料（CxCN），材料表征和理论计算结果表明CxCN带隙宽度变小；具有更好的可见光吸收，同时光生-电子空穴对的复合率也得到降低，因此 CxCN可见光条件下光催化降解有机物污染物效率得到了较大提升。自由基捕获实验结果表明光催化反应的主要活性基团为超氧自由基（·O2-）和空穴（h+），同时阐明了相应的催化降解机制。 (2) 金属氧化物纳米团簇（CuO、Ag2O、Fe2O3）/g-C3N4体系用于提升g-C3N4光催化性能。制备得到的CuO纳米团簇尺寸在1 nm左右，小尺寸金属氧化物纳米团簇可以调控g-C3N4材料的能带结构。与大块半导体材料复合形成异质结结构不同，小尺寸氧化物团簇可以调节g-C3N4材料能带的价带和导带位置，提升材料的还原或者氧化性能并降低电子-空穴对的复合率，从而提升体系光催化性能。本项目通过实验和理论计算结合的方式，对改性半导体材料体系的结构、特别是能带结构进行分析，结合材料表征及性能测试结果构建改性g-C3N4材料合理的光催化反应机制，为g-C3N4基光催化材料在有机污染的降解领域的商业化应用提供理论依据。