基于钨基纳米材料的全光谱光催化体系的构建及性能研究

Photocatalytic materials can transfer the optical energy to chemical energy by absorbing the sunlight. It is one of the important issues in the green energy field. But up to now, photocatalytic researches mainly focus on the usage of ultraviolet and visible light to initiate the chemical reaction. In this project, it is planed to give attention to the usage of near-infrared light which is seldom used in the sunlight and synthesize the reductive state tungsten-oxides-based nanomaterials with excellent NIR absorptive properties as NIR photosensitizers, then composite the semiconductor materials and apply the mode of photoelectrocatalysis under bias voltage in order to broaden the spectral response range and enhance the electron-hole seperation efficiency. By reasonable design and optimizing experimental conditions, it is expected to obtain effective full-spectrum-responsive photocatalysts. Meanwhile, deep understanding the influences on enhancing full-spectrum-responsive photocatalytic efficiency and inspecting its intrinsic NIR photocatalysis mechanism through a series of research may accelerate the research and application of NIR photocatalysis. The advantages of this project are: (1) Develop the NIR photocatalytic activity and realize the full-spectrum-responsive photocatalyst; (2) Fully use of the sunlight and improve the utilization efficiency of sunlight; (3) Effectively enhance the quantum efficiency of the photocatalyst in the full spectrum range.

光催化材料通过利用太阳光能量，将光能转换成化学能，是环保能源领域重要的课题内容之一。但是目前为止的光催化研究主要还是集中于应用太阳光中紫外和短波长的可见光引发化学反应。本课题计划兼顾利用太阳光中很少被应用的近红外光部分，合成近红外光吸收性能优良的混合价态钨基纳米材料作为红外光光敏剂，通过复合半导体材料以及施加外加偏压的光电催化模式，拓宽光催化体系的光谱响应范围以及提高电子-空穴分离效率，通过合理设计和优化复合条件，合成新型高效的、可以充分利用太阳光全光谱（包括紫外、可见和近红外光）的光催化体系。同时，通过一系列研究深入了解影响全光谱光催化效率的因素以及近红外光催化机理，促进近红外光催化研究和应用工作。本课题的优势为：（1）开发近红外光光催化活性，实现太阳光全光谱响应的光催化体系；（2）充分利用太阳光，提高太阳光的利用率；（3）有效提高光催化剂在全光谱范围内的量子效率。

光催化材料通过利用太阳光能量，将光能转换成化学能，是环保能源领域重要的课题内容之一。但是目前为止的光催化研究主要还是集中于应用太阳光中紫外和短波长的可见光引发化学反应。本课题兼顾利用太阳光中很少被应用的近红外光部分，合成近红外光吸收性能优良的混合价态钨基纳米材料作为红外光光敏剂，通过复合半导体材料以及施加外加偏压的光电催化模式，拓宽光催化体系的光谱响应范围以及提高电子-空穴分离效率。通过合理设计和优化复合条件，利用水热法、原位化学还原法、阳极氧化法、磁控溅射法等多种材料合成手段，制备了Ag@Ag2WO4纳米线，WO3-x/TiO2-x纳米管阵列异质结、梭形W18O49纳米梳以及WC纳米颗粒等，获得不同类型、形貌均匀的混合价态钨基纳米材料，探索了其产生近红外宽谱吸收和近红外光催化的内在机理，确立了以钨基材料为代表的新型高效全光谱光催化体系。Ag@Ag2WO4纳米线具有更高的可见光驱动光催化活性，在60分钟内对亚甲基蓝的降解效率高达91.2%，并且循环使用五次仍能保持很好的催化活性。W18O49纳米梳通过快速吸附和从紫外到近红外的全光谱响应光催化活性双功能，能高效清除有害的有机染料。对于亚甲基蓝的清除在短至1-2分钟可高达99%以上。WO3-x/TiO2-x 体系由于其自掺杂和LSPR效应的协同作用，具有更高的光富集能力、更强的光电流响应和光电催化性能。WC 纳米颗粒也展示了优良的紫外-可见-近红外全光谱吸收性能、较高的近红外光驱动光电流响应能力和近红外光驱动光催化降解活性。同时，通过一系列研究深入了解影响全光谱光催化效率的因素以及近红外光催化机理，结合密度泛函理论（DFT）和有限元分析方法，对材料的电子结构及光学性质进一步建模计算，从而帮助我们从理论上有更深入的理解，促进近红外光催化研究和应用工作。