氧空位辅助介孔纳米晶半导体材料光催化还原NO为N2的研究

This project expects to realize photocatalytic reducing NO to N2, which assisted by oxygen vacancies on mesoporous nanocrystalline photocatalyst without using reducing agent, solving the problem existed in traditionally thermocatalysis and photocatalysis, for instance, high energy consumption, high toxicity and supplying reducing agent etc. For keeping the oxygen vacancy assisted photocatalytic reaction carry out continuously, we proposed recovering the oxygen vacancies by utilizing oxidizing the photocatalyst itself by photo generated holes, and thus balance the consumption of oxygen vacancies. Increasing the surface oxygen vacancies density of photocatalyst by using nanocrystalline materials since the existed defects will result in a weak bond between oxygen and other elements and make the oxygen escape from the surface easily. By increasing the specific surface area of photocatalyst, thus improve the efficiency of electron-hole separation, against the negative impact of poor crystallinity. Based on the research about the law of oxygen vacancies formation, the process of NO adsorption and the mechanism of photocatalytic NO reduction, as well as the relationships among the above three processes, seeking optimal conditions for enhancing the photocatalytic activity, realizing the interconnection between mesoporous structure and nanocrystalline porewall. This project will develop a facile, low cost and high efficiency route for reducing NO to N2 production.

本项目拟利用氧空位吸附活化NO的作用，结合介孔和纳米晶半导体两个技术特征，在不采用还原剂的情况下，实现NO的光催化高效还原为N2，从而克服传统热催化和光催化脱硝技术能耗高、催化剂毒性大，补充还原剂等问题。为实现氧空位辅助的光催化反应高效持续进行，提出利用光生空穴氧化自身作用补充反应中被不断消耗的氧空位。利用纳米晶材料中缺陷多，对氧原子束缚力弱的特性，提高氧空位表面密度；引入介孔结构，增大光催化材料的比表面积，提高电子空穴分离效率，抵消结晶性差造成的不利影响。通过研究氧空位产生、电子空穴分离利用与NO吸附分解三个过程的规律及相互作用关系，寻找三者协同增强的最优条件，实现介孔结构、纳米晶孔壁及材料体系之间的耦合，并显著增强光催化还原NO效果。本项目的研究为简单，高效、稳定和低成本地将NO还原为N2的研究提供了新思路。

项目聚焦氧空位辅助光催化材料的制备及应用，通过引入氧空位加强光吸收、光生电子与空穴的分离以及降低催化反应的表面化学能，从而提高其光催化，热催化以及光热催化反应。项目研究主要关注了不同催化材料体系的制备以及其在催化降解，分解水制氢以及NO催化降解过程中的作用。.在g-C3N4催化材料体系中，我们通过构造特殊前驱体获得了大比表面积含有缺陷的多孔g-C3N4纳米片的制备，比表面积相对于纯的g-C3N4提升了9.49倍。对相关机理的研究表明，添加的微量物质抑制了g-C3N4热聚合过程，使得晶粒尺寸变小，孔壁变薄，缩短光生电子-空穴对的传输距离，使得电子-空穴对有效的参与光催化反应，同时产生氮缺陷使得提升电子-空穴对的有效分离，抑制电子-空穴快速的复合，有利于载流子更多的参与光催化活动，并且醛基对N空位的形成具有显著的作用。多孔g-C3N4的光催化性由气相降解异丙醇活性得到验证。实验结果显示多孔g-C3N4的光催化性能比纯的g-C3N4的光催化性能提升了4.5-10倍。通过对样品进行光催化降解有机物及NO的研究，揭示了光催化活性提高的机理，重点研究了缺陷的种类，位置及形成的机理。.在氧化物半导体材料氧空位的再生及催化降解污染物的研究上，我们发现所制备的氧化物材料具有大量的氧空位缺陷特征，通过对样品的分析我们发现在光照条件下氧化物的氧空位浓度是增加的，并且表现出了较高的光催化活性。开发了一种能够分解NO的NiMnOx催化剂，所制备的材料表现低温催化降解NO的能力，表现出了一定的抗水汽的作用，催化剂长时间性能稳定。项目研究结果对高效光、光热、光电催化材料的设计提供了参考，有望替代传统热催化剂，并为高效烟气脱硝催化剂的设计开辟了新的途径。发表SCI论文22篇，申请中国专利26项，其中获得专利授权12项，培养硕士研究生13名.