基于电纺氧化物纳米纤维构筑的三维开放半导体异质结材料制备与光催化性能研究

半导体氧化物光催化粉体材料在解决环境污染和能源短缺方面具有广阔的应用前景。然而，低的光催化效率及纳米粉体难以分离与回收的困难是限制半导体氧化物的广泛应用的主要问题。本项目旨在以氧化物纳米纤维为载体，设计合成一系列具有三维开放结构的II型半导体异质结光催化材料。利用II型半导体异质结优异的电荷分离特性提高催化剂的量子效率，借助独特的三维开放结构进一步提高光子利用率和反应物到催化剂活性中心的传质速率，同时增加分离回收的可操作性。研究其在光催化降解有毒有机污染物等方面的催化活性，揭示光催化反应机理，制备具有高效、可多次循环使用的环境友好型光催化材料。

本项目从限制TiO2代表性光催化剂效率（①电子空穴分离效率低、②太阳光利用率低、③界面氧化还原反应电荷利用率低）的三环节出发，通过构建异相结、异质结及多异质结的手段，研制系列高效易分离太阳光响应光催化剂。具体如下：.1.为克服环节①效率低的难题，构建了一系列开放结构的TiO2异相结。组装了枝状锐钛矿-金红石异相结，研究发现三维开放的枝状异质结构不仅促进了光生电荷分离，还提高光子利用率和反应物到催化剂活性中心的传质速率，提高光催化活性的同时又增加分离回收的可操作性。进一步通过不同光谱技术验证了异相结界面电荷的定向输运有利于光催化活性的增强。此外，围绕TiO2(B)为前驱体，相继构建了锐钛矿/板钛矿纳米棒异相结，锐钛矿/TiO2(B)纳米片阵列异相结、纳米管异相结、纳米带异相结自组装微球，研究了TiO2(B)向锐钛矿的拓扑相变过程及锐钛矿/TiO2(B)界面对光催化活性的影响。研究发现TiO2(B)与锐钛矿晶相间的低晶格失配一来利于形成原子层面晶格匹配的连续的异相结界面，二来利于诱导锐钛矿相高能晶面的选择性裸露。低缺陷的异相结界面可极大抑制光生电子空穴的分离，结合锐钛矿相高能晶面高活性的优势，使得锐钛矿/TiO2(B) 异相结具有更优异的光催化活性。.2.为同时克服环节①、③效率低的难题，制备了TiO2/Ag 纳米海绵异质结光催化剂。研究发现，由于纳米海绵的高比表面积及高孔隙率的开放结构，Ag纳米粒子可均匀地分散在TiO2催化剂的表面。TiO2/Ag 纳米海绵异质结不仅可以降低光生电子空穴的复合几率，而且可以提高光生电子单电子还原氧的电荷利用率，大大提高了TiO2的光催化活性。此外，还制备了TiO2/WO3微球异质结。研究发现超细WO3纳米颗粒复合于TiO2表面时，WO3能带的宽化利于TiO2/WO3异质结中WO3一侧单光生电子还原氧历程，提高了光生电子还原氧半反应的电荷利用率，提高了TiO2的光催化活性。.3.为同时克服环节①、②、③效率低的难题，构建了WO3-Pt-TiO2多异质结。研究发现组装的多异质结表现出较高的可见光催化活性，其活性明显高于商用的P25光催化剂，及各单一异质结构。同时，研究中还发现，当Pt的位置发生改变时，光催化活性差异明显，归因于Pt/WO3和Pt/TiO2界面不同的光生电子还原氧历程。