生物模板碳气凝胶-半导体复合材料吸附-光催化降解污染物的研究

Adsorption is one of the most effective technologies to remove environmental pollutants. Carbon aerogel in addition to having huge surface area, high chemical stability and large adsorption capacity, there are excellent optical and electrical properties. These make it as an excellent carrier material and electronic transmission body. This proposal will study on bio-templated carbon aerogel-semiconductor composites for adsorption-photocatalytic degradation of pollutants. Carbon aerogel with hierarchical morphologies of biological templates will be prepared using the carbon containing large plants as bi-templates. Then composites with semiconductor photocatalytic material and carbon aerogel will be synthesized via modifying surface of carbon aerogel material and adding crosslinking agent. Characterizations of the composition, structure, surface state and energy band structure of the catalysts, as well as their activities for the adsorption/photocatalysis to remove environmental pollutants will be studied. The transient, in situ research means and results of electrochemical tests will be combined to unravel the interaction relationships between the physical properties (including composition, structure and surface state) and photocatalytic activity. The research could provide some theoretical basis and experimental methods of designing for highly efficient, easy obtained, and large-scale promotion photocatalytic materials.

吸附是去除环境污染物最为有效的技术之一，新型发展起来的碳气凝胶材料除了拥有高的比表面积和化学稳定性以及较好吸附能力等优点外，还具有更为优异的光电性质, 这使得其可以更为优异的载体材料和电子传输体。本项目拟采用生物模板的方法，选取含碳量较大的植物为模板，制备出具有生物模板多级结构的碳气凝胶材料。然后，通过对碳气凝胶材料进行表面修饰或是加入交联剂等方法，与半导体光催化材料进行复合。通过一系列的表征手段，探索生物模板的应用和制备条件对于材料性能的影响。考察吸附-光催化的耦合降解环境污染物的性能，并研究其作用机制。为开发出具有高效、易得，可大规模推广的新型光催化材料提供理论依据和实验方法。

项目主要围绕生物模板碳气凝胶及其复合材料的和合成及其吸附、光催化性能研究展开。利用碳气凝胶的特点，以西瓜皮、西瓜瓤、冬瓜等作为碳的来源，通过水热碳化法后负载镧离子得到一种能快速除磷的碳气凝胶材料。其吸附速率分别是传统的锁磷剂和负载了镧离子活性炭的2.5倍和4.5倍。所使用的的方法简单、便捷，适合投入大规模生产应用。并且将桂花树叶和桉树叶为原材料制备的生物碳气凝胶材料及半导体复合材料用于太阳能蒸发性能研究，结果发现其蒸发速率得到大幅度地提高，该材料有希望利用于污水的净化处理。将生物模板制备的碳材料与ZnIn2S4、BiPO4/Bi3O(PO4)2(OH)等半导体材料复合，在光催化降解有机污染物和光催化还原Cr(VI)方面显示了优异的性能。通过这些研究，建立了一套生物碳气凝胶及其复合物的合成方法，并通过光催化性能的研究，探讨了光催化剂结构与性质及光催化性能之间的关系，为进一步探索构建无机-有机复合材料提供了相应的理论基础与实验依据。. 项目还拓展性的研究了生物模板半导体材料的微结构调控研究，以蜈蚣草和烟梗丝模板制备的光催化材料在，光催化氧化-吸附As(V)和降解尼古丁方面表现了优异的性能。此外还拓展性的研究了碳量子点、石墨烯气凝胶和MXene等含碳材料及其半导体复合材料的光催化性能。. 已在国内外杂志上发表6篇学术论文，其中SCI期刊5篇，中文核心期刊1篇，申请发明专利4项，其中授权2项。参加国际学术会议2次。培养硕士生8人，项目组成员2人晋升副教授。项目负责人陈永娟入选2020年云南省高层次人才培养支持计划“青年拔尖人才”专项。项目“多孔材料的仿生合成、结构调控及光催化/吸附性能研究”获2018年云南省自然科学奖一等奖（项目负责人排名第二）。后续研究获云南省烟草化学重点实验室开放课题“生物模板光催化技术在烟草降焦减害中的应用研究”支持，形成了可持续的研究工作发展态势。