新型高效MnxV2O5+x基可见光催化剂的催化机理及动态表征

To investigate the key scientific problems in the research of solar-chemical energy conversion and develop a new type of MnxV2O5+x(x=1,2 and 3) based visible photocatalyst with specific structures and functions, this project would be researched in the following steps: 1) the MnxV2O5+x(x=1,2 and 3) based nanomaterials with controlled morphology and specific exposed facets and special nano-micro structures would be prepared. The specific relationships between structure and photocatalytic performance would be investigated by combining the theory calculation and energy band adjustment trechniques;2) the effect of Mn and V elements on the photocatalyst and band structure would be studied, the reactive sites on the surface of photocatalyst would be adjusted, a new heterostructure on nanoscale would be constructed. This may offer a better understanding about the other vanadates based photocatalysts in theory and experiment.3) the behaviors of the charge carriers would be studied with in situ, dymanic and time resolved catalytic characterization techniques; it is expected to propose new theory at surface/interface and new reaction mechanism in photocatalytic reaction, providing new ingight and scientific theory for developing chaep, highly efficient and environmental-firendilly artificial photo-synthesis nanomaterials.

为了深入研究太阳能-化学能转化过程中的关键科学问题，构筑一种新型的具有特定结构和功能的MnxV2O5+x（x=1、2或3）基可见光催化材料，本项目拟从以下几个技术路线开展研究：1）制备形貌可控、具有特定裸露晶面和特定纳微结构的MnxV2O5+x（x=1、2或3）基纳米材料，结合理论计算与能带调控技术，揭示催化剂的结构与活性之间的特定关系；2）研究Mn元素和V元素在催化剂表面以及能带结构中起到的作用，研究催化剂表面催化活性位点的调控，构筑分子尺度上的新型异质结结构，为深入研究其他钒酸盐基光催化材料提供一定的理论和实验指导意义；3）结合原位、动态、时间分辨的催化表征技术，深入研究催化剂中光生载流子的行为，提出表面/界面过程的新理论和光催化反应中新的反应机理，为开发廉价、高效、稳定环境友好的人工光合成材料体系提供科学理论依据。

为助力我国早日实现“碳达峰”、“碳中和”，抵消日常生产生活中产生的二氧化碳或温室气体气体的排放，主要由太阳能驱动的光催化技术成为了最为理想的技术之一。开发和研制新型的高效的稳定的且廉价的光催化材料，一直是近年来科研工作者的重中之重和首要任务。本项目主要围绕钒酸锰等新型非贵金属催化剂进行了一定的调控和优化，拓宽了催化剂对于可见光的响应，加速了光生载流子的分离和转移，有效的提高了催化剂的光催化活性。取得的主要研究成果如下：（1）在V2O5/g-C3N4的界面上引入了MnV2O6物种以形成了一种新型的Z-scheme光催化剂，可以有效地促进光生载流子以Z-scheme的形式分离，同时拓展了催化剂的可见光响应，并显示了较好的光催化活性；（2）采用水热法制备了一种Sn4+离子自掺杂的六方状纳米片，其中Sn4+离子在热处理的过程中取代了晶格中的Zn2+离子，并在导带下方形成了一种新的掺杂能级，可以有效的提高催化剂的可见光响应和载流子分离速度，并显著提高催化剂的光催化还原CO2生成CH4的活性；（3）制备了四种不同元素修饰的TiO2热催化剂，在催化剂的表面形成了独特的O-M-O或者O-M-Cl物种，其中TiO2-Pd和TiO2-Pt由于表面物种的准连续能级，比纯TiO2，TiO2-Cu和TiO2-In显示出了更好的热催化活性，同时也深入探讨了热催化载流子与活性氧物种及能级结构之间的内在联系；（4）我们提出了一种全新的可行的癌症肿瘤治疗方案，制备了一种TiO2-Pd/石墨烯基复合热催化剂，仅在体温加热的情况下，即可产生大量的活性氧物种，并可以有效地抑制小白鼠体内的肿瘤生长。通过本项目的资助，发表SCI论文4篇，对于钒酸锰基光催化剂、CO2还原和光热协同催化等科学问题有了较深刻的认知，对于设计和制备新型高效光催化还原CO2体系有一定的借鉴意义。