SnO2反Opal光子晶体/TiO2纳米晶复合膜光催化剂

如何提高TiO2的光吸收率，从而提高其光催化效率是一个重要研究课题。为此,人们设法使TiO2的光子吸收边红移（如掺杂）,但这可能又会由于TiO2的禁带变窄而降低其光催化能力。针对这一问题，本项目提出一种光子晶体/TiO2纳米晶复合膜光催化剂，利用光子晶体的光子局域效应，提高TiO2的光吸收率从而提高其光催化效率。方法是在常规TiO2纳米晶膜上复合一层光子晶体，并将其光子带隙的频带设计与TiO2的吸收边相同。当光从纳米晶层射入复合膜催化剂时，光子局域化会导致在光子晶体与TiO2 纳米晶的界面处，波长在光子带隙范围内的光显著增强，TiO2 纳米晶在吸收边附近的光吸收率显著提高，进而提高TiO2光催化效率。由于这种设计没有改变TiO2的化学组成和结构，TiO2光催化能力并不降低。该新型复合膜光催化剂的设计思路不仅适用于TiO2，而且适用于其它固体光催化剂，对大气净化、污水处理等具有重要意义。

为了提高TiO2的光催化性能，人们设法使TiO2的光子吸收边红移（如掺杂）,但这可能又会由于TiO2的禁带变窄而降低其光催化能力。针对这一问题，本项目提出一种光子晶体/TiO2纳米晶复合膜光催化剂，利用光子晶体的光子局域效应，提高TiO2的光吸收率从而提高其光催化效率。方法是在常规TiO2纳米晶膜上复合一层光子晶体，并将其光子带隙的频带设计与TiO2的吸收边相同。合成光子晶体/TiO2纳米晶复合膜光催化剂的关键在于能制备大面积（可用于光催化反应）、宽禁带、高结晶质量和裂缝密度小（保证强的禁带反射光）的反opal光子晶体膜。为此，提出了室温漂浮自组装方法组装制备反opal光子晶体膜的模板。相比传统的自组装方法如垂直沉积法和重力沉降法，这种方法不仅具有制作简单、耗时少、适合制备大面积样品的优点，而且可用于在多孔的、粗糙的表面沉积胶体晶体。利用室温漂浮自组装法组装PS opal模板，然后用液相沉积技术填充去除模板制备了大面积、高结晶质量的TiO2和SnO2 opal光子晶体。联合室温漂浮自组装法和液相沉积技术， 开发了一种仅用单一尺寸微球的opal模板，通过控制不同的液相沉积次数使填充因子不同，从而成功制备具有明显宽光子带隙和双光子带隙的反opal光子晶体复合膜的方法。基于以上研究成果，本项目合成了SnO2反Opal光子晶体/TiO2纳米晶复合膜光催化剂。以甲基橙和罗丹明B的光催化氧化降解为探针反应，研究了这种光子晶体/TiO2纳米晶复合膜增强光催化性能的可行性和效果，发现合成的复合膜光催化剂活性显著高于常规TiO2 纳米晶膜。当光从纳米晶层射入复合膜催化剂时，光子局域化会导致在光子晶体与TiO2 纳米晶的界面处，波长在光子带隙范围内的光显著增强，TiO2纳米晶在吸收边附近的光吸收率显著提高，进而提高TiO2光催化效率。由于这种设计没有改变TiO2的化学组成和结构，TiO2光催化能力并不降低。此外，利用液相沉积（LPD）技术对反opal光子晶体进行表面修饰合成了具有高比表面积、高连通性的光催化剂，这种经过LPD 处理之后的TiO2 反Opal 膜比未处理的膜具有更高的光催化活性。在项目的支持下，发表期刊论文11篇，其中有7篇被SCI收录，8篇被EI收录。申请发明专利3项。培养博士研究生2名、硕士研究生4名。