紫外纳米线/可见光量子点型复合光催化材料的构筑及CO2转化性能研究

This project puts forward to develop UV-sensitive nanowires/visible-light-sensitive quantum dot heterostructured composite photocatalysts for reduction of CO2 into renewable hydrocarbon fuel. Detailed investigations will be portioned into three major research objectives: （1) tune the electronic band structures of UV- sensitive multiple metal oxide ( NaNbO3, NaTaO3 ) through the visible-light- sensitive materials ( such as Bi2O3, WO3, BiVO4, Bi2WO6, C3N4 ), explore and discover the visible light response and photoinduced electron-hole transmission mechanisms in the composite photocatalyst, realize the photoinduced electron-hole efficient separation and utilization, and develop the theory and method of tuning the energy band structures of composite photocatalysts. （2) investigate the composite photocatalyst nanometer technology, prepare UV- sensitive nanowires/ visible-light-sensitive quantum dot composite photocatalysts via a template method, or the surface tension and the control of supersaturation. （3) research the optical absorption, valence and conduction band position, microstructure and photocatalytic CO2 reduction properties. On this basis, the relationship of the band structures, the photoinduced charge transfer characteristics, surface loading, microstructure of composite photocatalysts and CO2 reduction performance are elucidated. In conclusion, this study will provide some theoretical guidance and experimental basis to develop new composite photocatalysts for CO2 reduction.

本项目提出开发紫外纳米线/可见量子点型异质结复合半导体光催化材料，用于光催化CO2还原为碳氢燃料。(1)通过可见光响应型材料（如Bi2O3、WO3、BiVO4、Bi2WO6、C3N4等）来调控紫外光响应型材料（NaNbO3、NaTaO3）的电子能带结构，探索和发现复合光催化材料的可见光响应机制和光生电子-空穴的传输机制，实现光生电子-空穴有效的分离和利用，发展调控复合光催化材料能带结构的理论和方法。(2)研究复合光催化材料的纳米化技术，通过模板法、或表面张力和过饱和度的控制，制备出紫外纳米线/可见量子点型复合光催化材料。(3)系统研究其光吸收、导带和价带位置、微观结构等物性以及光催化CO2转化性能。在此基础上，阐明复合光催化材料的能带结构、光生电荷传输特性、表面担载、微观结构等与CO2转化性能的关系。本研究将为开发新型用于CO2转化的复合光催化材料提供理论指导和实验依据。

光催化还原CO2为碳氢燃料在太阳能转化和降低温室气体效应方面具有重大研究意义。如何提高光催化反应的量子转换效率是目前研究的核心问题。我们开展了复合光催化材料纳米化的探索，发现了复合光催化材料的可见光响应机制和光生电子-空穴的传输机制，实现了光生电子-空穴有效的分离和利用。代表性研究成果如下, 1、开发了g-C3N4/NaNbO3纳米线复合光催化材料，利用异质结结构具有电荷容易分离和电流单向性等特性，促进电子空穴分离，在可见光照射下光催化CO2转化为CH4达到了6.4 μmol h−1g−1, 该论文发表后受到广泛关注, 2014年10月至今被引用了41次。此外开发了Pt-C3N4/KNbO3复合光催化材料用于CO2转化。2、制备了具有表面纳米台阶的Pt-NaNbO3-xNx光催化材料，在表面台阶处形成了电子富集区，而平滑处形成了空穴聚区，进而光生电子和空穴在空间上实现了有效的分离，其420nm下转化异丙醇的量子效率达到了8.6%。3、制备了直径20 nm长度微米量级的钒酸银纳米线，并且将其发展为g-C3N4/Ag/AgVO3纳米线复合光催化材料。4、在光催化材料的电子能带结构调控方面也进行了研究。本项目顺利完成了预定的研究目标，在ACS Cata、Appl Cata B: Environ、RSC Adv等学术杂志正式发表SCI论文9篇（标注了基金号），申请国家发明专利2项，授权国家实用新型专利3项。