空腔介孔结构复合光催化剂的设计及应用于有毒难降解有机污染物的降解

光催化高级氧化技术具有节能、环境友好等优点，是解决环境问题的一个重要途径。目前光催化降解有机污染物的难点在于制备高效的光催化剂。本项目拟在单一催化剂组分变化的基础上，引入对催化剂形貌结构的控制，通过对各组分有效的空间组合，制备出以BiFeO3/Fe2O3为内核，Au修饰TiO2为外壳的空腔介孔结构复合光催化剂，并应用于有毒难降解有机污染物的光催化降解研究。该催化剂将贵金属沉积促进光催化、铁酸铋增强可见光活性，空腔结构对光的多次反射效应以及磁性分离技术有机的结合在一起，分别从宏观角度和分子层次深入研究系列空腔介孔结构催化剂对模型染料和卤代物的光催化效果及降解机理，该项研究对于深入理解多相光催化中光能的有效利用和各组分的有效空间组合等核心问题具有重要的理论意义，为高性能光催化剂的设计、剪裁和精细调控提供新思路。同时对污染物降解过程的研究具有重要的实际应用价值。

项目围绕不同空腔介孔结构TiO2光催化剂开展了系列工作。（1）发展了醇解醇热技术制备空腔结构可调多级结构TiO2光催化剂的新方法。研究和阐明了不同空腔结构TiO2（实心、核壳和空壳）的形成机理。研究发现丙三醇作为关键性结构诱导剂，对多级结构TiO2的形成起重要作用。通过控制醇源、醇热时间和醇热温度，可实现对多级结构TiO2材料形貌的精确调变。（2）通过系列表征研究了不同空腔结构TiO2的光吸收和光催化活性。研究发现具有蛋壳结构的TiO2光催化剂其光吸收和光催化活性明显高于核壳、片状和实心球结构的TiO2。（3）在制备多级结构TiO2的过程中，引入Au或其他金属可制备不同金属修饰的M/TiO2光催化材料，利用Au具有的Plasma效应进一步增强多级结构TiO2材料的光吸收，有利于活性的进一步提高。进一步通过二次水热的后修饰方法可将CdS进一步修饰于TiO2上，获得具有多级结构的CdS/TiO2复合材料。这种复合材料具有较强的可见光吸收，能直接利用可见光降解有机污染物。通过与TiO2的复合，CdS的稳定性得到增强。（4）利用醇热或水热技术，在F离子的诱导下可控合成（001）晶面暴露的空壳和蛋壳结构TiO2光催化剂。使光催化剂同时实现高能面暴露和多级结构，实现对催化剂结构从微米尺度到纳米尺度的精确调控。一方面利用（001）晶面提高材料本征活性。另一方面通过多级蛋壳结构实现光的多次反射效应，使光催化剂的活性得到增强。 (5)制备SiO2/TiO2复合吸附-光催化剂，并通过原位手段将有机基团修饰于SiO2/TiO2复合材料表面，研究证明该方法在提高催化剂对有机物吸附能力的同时可有效增强催化剂光催化活性，吸附剂和光催化剂具有的协同作用可实现对污染物的快速吸附和持续降解。进一步表明了异相核壳催化剂的潜在研究和应用价值。（6）通过系列光催化剂的设计和比较，从宏观角度和分子层次研究系列空腔介孔结构催化剂对模型染料（罗丹明B，甲基橙）和对氯苯酚的光催化效果及降解机理。通过本项目研的究，对于深入理解多相光催化中光能的有效利用和各组分的有效空间组合等核心问题具有重要的意义，为高性能光催化剂的设计、剪裁和精细调控提供了新思路。同时对污染物降解过程的研究具有一定的实际应用价值。