板钛矿TiO2/BiOX (X=Cl, Br, I)复合材料的界面调控合成及其光催化CO2还原性能研究

Exploring highly efficient and stable photocatalysts for CO2 photoreduction is one of hotspot and difficulty in current new energy field. In this project, compared with anatase TiO2 and rutile TiO2, brookite TiO2 with more negative flat band potential and lower Femi level is as the study object. This pure brookite TiO2 with controlled crystal facets and BiOX (X=Cl, Br, I) with wide spectral response, surface reactive sites for CO2 binding and high efficiency of carriers separation are as the parents to construct interfacial controllable composite TiO2/BiOX (X=Cl, Br, I). This material widens the spectral absorbance, promotes absorbance and activity of CO2, and enhances the separation and migration efficiency of photogenerated carriers, thus promoting photocatalytic behavior. Based on this work, by carefully controlling the interface of the composite, illustrating the impacts of photocatalytic activity in terms of the match of energy band, a rational designed structure-activity relationship model concerning the structure, interfacial control and performance will be built. Enhancing the separation efficiency of photogenerated carriers and capability of visible light harvesting will optimize the activity of CO2 photoreduction. This work will hopefully provide a more reasonable method to design the composite, increase its separation efficiency of carriers and further effectively enhance the CO2 photoreduction performance of composite material.

寻求高效、稳定的光催化CO2还原材料是当前新能源领域的热点与难点之一。本项目选取具有比锐钛矿和金红石TiO2更负平带电位和费米能级的板钛矿TiO2为研究对象，拟合成晶面可控的纯相板钛矿TiO2。结合BiOX (X=Cl, Br, I)具有宽光谱响应、CO2表面反应位点和高载流子分离效率的优势，构建界面可调控的板钛矿TiO2/BiOX (X=Cl, Br, I)光催化复合材料，实现光谱吸收范围的拓宽，CO2吸附、活化的优化和光生载流子分离及迁移效率的增强，提升其光催化性能。在此基础上，通过复合材料界面调控，从能级匹配的角度阐述其对光催化性能的影响，明晰结构和界面调控与性能之间的构效关系。从提高光生电荷分离效率、增强可见光捕获性能等角度优化光催化CO2还原活性。本项目有望从理论上提供一种更加合理的设计复合材料结构的方法，进一步增强复合材料电荷分离效果，从而更加有效地提升其光催化CO2还原性能。

本项目将纳米板钛矿TiO2与BiOX (X=Cl, Br, I)等材料进行复合，通过形貌调控技术控制纳米板钛矿TiO2的形貌和暴露晶面，构建界面可调控的板钛矿TiO2为基础的光催化复合材料，实现光谱吸收范围的拓宽。通过复合材料界面调控，明晰结构和界面调控与性能之间的构效关系。从提高光生电荷分离效率、增强可见光捕获性能等角度优化光催化活性。.本课题开展了以下三方面的研究工作：.（1）通过改变水热方法的条件（例如钛源的种类、pH值、络合剂、反应温度和时间），成功制备了不同形貌（包括立方体、米粒状和颗粒）的纳米板钛矿TiO2，且实现了特殊晶面的暴露。通过半导体的能带结构调控和助催化剂的表面负载等手段改善其因带隙宽而只能利用紫外光的弊端，从而改善板钛矿TiO2光催化材料的性能。此部分内容为复合材料的构建奠定了基础；.（2）进一步将暴露特殊晶面的高纯相板钛矿TiO2与BiOBr和C3N4无机纳米材料进行复合，制备具有可见光响应的光催化复合材料，并对构筑比例进行调控，在组成与结构上完成对复合材料的优化。当BiOBr的复合量为15 wt.%时在可见光下呈现出最佳的光催化活性。点状C3N4修饰的板钛矿TiO2由于有更多的活性位点，比C3N4包裹的板钛矿TiO2有更好的光催化性能。为提高复合光催化材料性能提供借鉴与参考； .（3）将板钛矿TiO2分别与钛菁衍生物和没有可见光吸收能力的、廉价的抗坏血酸复合，构建染料敏化和LMCT两种机理的可见/近红外宽光谱响应的体系，将其光谱响应范围拓展到了红光/近红外区，以弥补光催化体系对红光/近红外光吸收和利用能力不足的问题，从而有效提升其光电化学性能。为构建更加高效的光催化复合材料体系提供技术基础和科学依据。