天然铁电气石调制TiO2实现可见光催化活性的机制研究

In this study, nanoscaled TiO2 would be modulated to obtain visible-light catalytic activity via the self-polarization electric field on the surface of natural pure schorl, selected from the east of Inner Mongolia, China. On basis of schorl’s composition, structure and self-polarization effect, TiO2 would be synthesized and immobilized on the surface of schorl particulates simultaneously through Sol-Gel method. XRD, FTIR, SEM, XPS, HRTEM and related theories would be employed to clarify the immobilization mechanism of nanoscaled TiO2 on the schorl particulates. Under the same experimental conditions, prue TiO2 and the ones immobilized on natural schorl and heat-treated schorl under different temperatures would be synthesized, respectively. Using the characterizations of ESR, SPS, PL and DRS, semiconductor energy band theory and first-principles calculations, comparative investigations for different samples would be conducted as follows: (1) degradation effeciency of organic pollutants under visible-light irradiation and its relationship with the output of strong oxidation free radicals; (2) surface photoinduced charge seperation and quantum efficiency; (3) TiO2 energy band structure and (4) changes in the optical absorption onset. Thereby, the microscopic mechanism would be revealed for the visible-light catalytic activity of nanoscaled TiO2 modulated by self-polarization electric field on the surface of schorl. Through this basic research, a novel natural material would be developed as TiO2 carrier to realize its high visible-light catalytic activity, possessing triple efficacy and Chinese resource characteristics.

利用天然电气石表面极化电场，调制纳米TiO2实现可见光催化活性。以内蒙古高纯度天然铁电气石为研究对象，从矿物组成、结构及自发极化性质出发，采用溶胶-凝胶法同步实现纳米TiO2制备及其在电气石微粒上的固定，用XRD、FTIR、SEM、XPS、HRTEM等表征并结合相关理论，阐明电气石微粒对纳米TiO2的固定机理。相同条件下，制备纯TiO2、天然铁电气石固定TiO2及不同温度热处理后的电气石固定TiO2，运用半导体能带理论及第一性原理计算并结合ESR、SPS、PL、DRS测试，对比研究：①有机污染物可见光催化降解效能及其与强氧化自由基产出的关系；②TiO2光生电荷分离与量子效率；③TiO2能带结构；④TiO2光吸收边变化，从而揭示电气石表面极化电场调制TiO2实现可见光催化活性的微观机制。通过本项目基础研究，开发具有三重功效和我国资源特色的能够实现TiO2可见光催化活性的天然载体新材料。

天然电气石与TiO2复合，在基础研究层面上，同时解决了TiO2的固定、可见光响应及电子-空穴复合的问题，为提高TiO2光催化反应活性、高效利用太阳能开辟了新的途径，对光催化技术的发展具有重要的意义。本项目以内蒙古东部天然铁电气石为研究对象，在矿物组成、化学成分、颗粒形貌等研究基础上，结合DTA-TG分析确定了电气石失去自发极化电场的相变温度点。采用溶胶-凝胶法和水热法同步实现了纳米TiO2在电气石微粒表面的制备与固定，探索了纳米TiO2制备与固定的影响因素，实现了对其晶粒尺寸与晶型的可控，结合XRD、SEM、EDS、HRTEM测试结果，探讨了天然铁电气石微粒对纳米TiO2的固定化机理。以典型的有机染料为目标污染物，评价了不同条件下TiO2/天然电气石在自然光下的催化活性，分析了动力学过程，并运用响应曲面法优化了光催化工艺过程，确定了最优的光催化工艺参数。在相同实验条件下，制备了纯纳米TiO2、天然铁电气石固定纳米TiO2及不同温度热处理后的电气石固定纳米TiO2，结合DRS、PL、第一性原理计算等，对比研究了有机污染物光催化降解效能、光生电荷分离效率、TiO2半导体电子能带结构及光吸收边的变化，从而揭示天然铁电气石增强纳米TiO2可见光催化活性的微观机制。通过本项目的实施，开发了具有我国资源特色的纳米TiO2天然载体新材料，发展了纳米TiO2在电气石微粒表面原位固定化技术，构建了TiO2/天然电气石在自然光下降解水体中有机污染物的理论体系和应用基础，形成了创新性成果。公开发表学术论文11篇，SCI收录9篇；授权国家发明专利2件；参加国际学术会议交流2次；培养6名研究生取得硕士学位。