新型光热催化材料的设计与性能研究

On the scientific issues that the traditional photocatalytic materials possess low solar energy utilization and quantum efficiency at present, the project tries to explore the design and synthesis procedures of novel microstructural photothermocatalytic materials with wide spectrum response (ultraviolet, visible and infrared light), photo-thermal coupling and the integrated nature of photocatalysis and thermocatalysis in entirely new thought based on platinum metals and heterojunction materials LaVO4/TiO2. Through combining quantum mechanics theoretical calculation and adjustment of experiment, we attempt to construct heterojunctions with low lattice mismatch, and modulate the electron energy band and the position of fermi level to decrease the hot carriers effect, enhance the separation efficiency of photoexcited carriers (electron and hole) in the system and restrain the recombination of charge carriers. By means of the recognization of oxygen and reagent molecules' state of adsorption and activation on adsorbates and matrix, the quantum efficiency and solar energy utility efficiency of degrading hardly-decomposed noxious organic compound on novel microstructure photocatalysts will be effectively improved. This research has scientific significance in deepening semiconductor photocatalytic reaction mechanism, cognizing the key factors of controlling the quantum efficiency of heterogeneous photothermocatalytic process and directing the design of novel efficient wide spectrum responsive photothermocatalysts system.

针对目前光催化材料的太阳能利用率和量子效率低的科学问题，本项目拟从一个全新的思路，以铂系金属和异质结构材料LaVO4/TiO2等为基础，探索宽光谱响应（紫外、可见及红外光）、光-热耦合式和集光、热催化功能于一体的新型微结构光热催化材料的设计和制备方法。通过量子力学理论计算并结合实验调整，构造晶格失配小的异质结，调控其电子能带和费米能级的位置，减小过热载流子效应，提高体系中光生载流子(电子，空穴)的分离几率，抑制载流子的复合，通过认识氧及反应物分子在吸附质及基质上的吸附态及活化，进一步有效提高新型微结构光热催化剂对难降解有毒有机污染物的量子效率和太阳能利用率。本研究对深化半导体光催化的作用机理，认识控制多相光热催化过程的量子效率的关键因素，指导设计新型高效宽光谱响应的光热催化剂体系都具有重要的科学意义。

针对大部分半导体光催化材料只能吸收紫外光和少量可见光，太阳能利用率和量子效率低，极大地影响了光催化技术的应用。首先，为了最大限度地利用太阳光，我们设计了光热催化反应体系，既利用紫外、可见光激发半导体引发光催化反应，又利用红外光的热效应驱动低温热催化反应，实现光热协同催化。其次，为进一步提高光催化过程的量子效率，制备出系列新型高效光催化材料，仔细研究了这些新型高效光催化材料在分解有机污染物、甲烷转化和光催化合成等方面的应用。本项目制备出Pt/LaVO4/TiO2等具有宽光谱响应（紫外、可见和近红外光）的一系列新型微结构光热催化剂。结果表明，铂负载的异质结复合半导体材料（Pt/LaVO4/TiO2，Pt/BiVO4/TiO2）具有优异的光热催化降解苯的活性，在70-80°C可以实现对苯的完全氧化降解，而相同情况下热催化则需要100°C以上才能实现，该光催化剂具有十分明显的光热催化耦合效应。影响耦合效应的主要因素是：光催化产生的光生电子等对苯在Pt上吸附情况的影响、光催化过程产生的活性物种对热催化过程的促进以及光催化中间产物可能转移至Pt上诱发热催化降解；Pt与基质材料之间的有效接触是光热催化耦合效果产生的必要因素。另外，本项目还制备出ZnGa2O4，ZnO/TiO2等光子晶体和具有宽光谱响应（紫外及见光）的一系列新型微结构光催化剂。结果表明，光子晶体ZnGa2O4，ZnO/TiO2等高效光催化剂在紫外或可见光照下，对污染物甲基橙、罗丹明B有很好的降解性能，均表现出了优于P25的光催化活性和活性稳定性。金属氢氧化物H1.23Sr0.45SbO3.48 和多元金属氧化物BaSb2O6等是一类具有高量子效率的紫外光催化材料。H1.23Sr0.45SbO3.48对空气中苯有机污染物的光催化降解效率和矿化率远高于P25（TiO2），苯的转化率约为100%，矿化率约为78%，而且对环己烷和丙酮也有很好的光催化活性。本研究揭示了有机污染物在新型光热催化材料和高量子效率的紫外光催化材料上的反应机理, 对深化光催化的作用机制，认识控制多相光催化过程的光吸收、量子效率的关键因素，指导设计新型高效宽光谱响应的光催化剂体系都具有重要的科学意义。