金属纳米晶-复合金属氧化物型催化剂构筑及其对染料的可见光催化降解性能与机理研究

开展高活性、可见光响应、无毒害元素的光催化剂的降解性能与机理研究对于在微/介观尺度深入理解光-材料的相互作用、能量传输与转换规律、反应动态历程及开发新型催化材料，具有重要的科学价值与潜在的应用前景。本项目依据LDH在微观尺度组成均匀的层状结构特征及新型LDH/C杂化结构的优势，以获得多尺度结构集成调控的复合型催化剂为研究目标，提出"一体式"前体的设计思路，通过结构拓扑转变与模板效应，构筑金属纳米晶-复合金属氧化物型光催化剂，深入探索多尺度结构调控与可见光降解性能及循环使用性能的内在关联，研究结构演化与反应历程，从光与材料相互作用的微观本质及光化学原理角度，揭示新型催化剂在反应中的微观相互作用机理，探讨电子结构、纳米效应、表/界面效应等各因素的协同作用机制，得到染料光降解的动力学特征与反应规律，从而更新与扩展传统半导体光催化剂，为可见光响应的新型催化剂的优化设计奠定重要的实验与理论基础。

开展复合型催化剂的性能与机理研究对于在微/介观尺度深入理解各组分相互作用及开发新型催化材料，具有重要的科学价值与潜在的应用前景。本课题以获得多尺度集成调控的复合催化剂为研究目标，主要进行金属/复合金属氧化物型催化剂的制备方法学、结构与性能调控、催化机理及催化作用的微/介观本质研究。取得主要研究成果有：1）通过层状前体法构筑三元复合氧化物光催化剂，Mg的引入不仅对层状前体形成有重要作用，而且对于复合金属氧化物的光催化性能有重要影响。光催化剂晶相组成、微结构及界面特性可灵活调控。催化剂对染料的可见光降解性能表现出与结晶度、MgO含量、异质结构的密切关联。实验证明超氧自由基是起催化作用的主要物种，提出了氧化物协同级联电子转移机理。该工作为开发可见光响应的镁基氧化物光催化剂、减少稀贵金属使用及其规模化制备提供了指导。2）发展了一种温和还原—沉积方法制备金纳米晶—复合金属氧化物型催化剂，通过前体设计并控制转化过程，获得了金与氧化铈在复合氧化物中高度分散、且形成界面相结构的高性能催化剂，此方法能够在控制金属纳米晶尺寸与形貌同时，在复合氧化物中引入电子给体或受体组分，对金属电子结构产生影响，从而调控其催化性能。此外，利用相似方法还制备了铂纳米晶/复合金属氢氧化物高活性催化剂。3）发展了“取代—复合”双功能策略改善氧化物（ZnO）的可见光催化性能。通过前体路线实现In取代ZnO复合氧化物的制备，利用溶剂热还原氧化石墨（GO）同时与ZnO(In)复合，得到复合催化剂，显示增强的可见光催化降解染料性能与高稳定性。证实了RGO与In取代对光激发电子跃迁与转移的共同促进作用。4）构筑了氧化物/光敏剂（染料）/催化剂共组装的复合光电极，研究了其可见光驱动的催化性能与电荷转移动力学，深入研究了染料激发态/氧化态、催化剂氧化态生成动力学与寿命，发现长寿命电荷分离态对于催化剂上的空穴累积有重要影响。本课题研究为复合催化剂的结构设计、催化性能增强与微观反应机制的深入研究提供了重要指导，为多组分、集成结构催化剂的设计提供了思路。