红外光催化材料的设计与制备研究

二氧化钛（TiO2）具有强的光催化能力，是用于解决环境污染问题的重要材料。但是TiO2的宽禁带特征决定了只有占太阳光5%的紫外光才能使其产生降解功能。拓展TiO2基光催化材料的光频响应范围至近红外区，将极大地提高其光催化效率。本项目拟利用稀土掺杂材料的紫外上转换发射特性，通过与TiO2材料的复合制备，实现光频响应范围至近红外区的光催化目的。项目拟通过上转换材料强紫外发射特性设计、半导体材料频谱响应调制和复合光催化材料的制备等研究过程，从高阶上转换过程发生的物理机制、复合材料结构设计和复合材料制备工艺等三个方面展开系统的研究，并预期实现如下研究目标：1、研制出低激发功率阈值的紫外上转换发光材料并阐明其工作机理；2、获得可见-近红外波段频谱响应的光催化材料；3、获得高效率光催化复合材料；4、得到此类材料在光催化应用中的关键参数；5、为发展相关关键技术提供具有自主知识产权的功能性材料与设计依据。

光催化是通过催化剂利用光能进行物质转化的一种方式。由于光催化在治理环境污染方面具有极大的应用前景，受到了很多研究者的关注。TiO2以其催化活性高、稳定性好、无毒和成本低等有点，被广泛应用于光催化降解有机和无机污染物的研究。但是由于TiO2的禁带宽度达到了3.2 eV，只有波长小于387 nm的紫外光才能将其激发产生光催化作用。紫外光在整个太阳光谱中所占的比例只有~5%，而可见光和近红外光的比例则分别为~48%和~44%。对太阳能的利用率低限制了TiO2光催化的实际应用。人们在合成具有可见光响应特性的TiO2催化剂方面做了大量研究，但是，与可见光能量相当的近红外光仍然没有被用于光催化。 上转换材料可以吸收低能量光子并发射高能量光子，Yb/Tm共掺杂的氟化物在980 nm近红外光的激发下可以发出紫外光，而紫外光可以激发TiO2。我们提出可以用这种红外—紫外上转换材料敏化TiO2，得到一种可以用红外光激发的新型光催化材料。如果将这两种材料结合，那么将得到的复合材料制成以TiO2包覆上转换材料的核/壳结构是一种理想的选择。因为这种结构既不会减少TiO2与被降解物质的接触，又能最大限度的保护氟化物上转换材料，避免外界环境对上转换材料的破坏而造成对其发光性能的不利影响。研究组完成了设备购置、材料制备、表征，以及材料光学性质和和红外光催化特性研究等方面的工作。在稀土掺杂的NaREF4、YF3微纳晶体的制备、高阶上转换过程和红外光催化特性研究中取得了一系列具有国际先进水平的创新性研究结果。例如，我们在国际上首次实现了红外光催化，并且提出了稀土离子向半导体能量传递是导致红外光催化的重要物理过程；利用ZnO包覆实现了红外光催化等。利用这些研究结果，我们完成了预期的红外光催化实验，实现了项目的预期目标。课题组共发表学术论文和学术报告90篇，其中SCI论文66篇，影响因子IF大于3.0的论文13篇，申报国家发明专利6项， 2011年获得国家自然科学二等奖一项。