基于表界面调控的磷酸银基光催化材料的光生电荷行为及光催化降解微囊藻毒素MC-LR的机理研究

The heterojunction system constructed from silver phosphate, conjugated polymer and nitrogen doped graphene was used to observe the process of photogenerated charge generation, separation, transfer and recombination at the interface of heterojuction system. The surface-interface for heterojunction system under the regulation strategy and its corresponding photoinduced charge dynamics were observed by the surface photovoltaic technology. The micromechanism of separation-transfer of photoinduced charge during the process of photocatalysis for the composite photocatalyst after the regulation of surface-interface, and the effect of surface-interface characteristics of composite photocatalyst on the separation direction and separation efficiency were intensively investigated. Meanwhile, the relationship among the material interface properties, photoinduced charge behavior and photocatalytic performance will be established. This study will be expected to establish the theoretical basis for further discussion of the photocatalytic mechanism and constructing the high-performance system of photocatalytic degradation of pollutants, and also develop an effective and rapid silver phosphate-based photocatalyst for removal of residual microcystins in eutrophication reservoirs and lakes under the sun's light irradiation.

本研究以构筑的磷酸银-共轭聚合物-氮掺杂石墨烯异质结构体系为研究对象，旨在通过表界面调控策略调控异质结构体系界面特性及相应光生电荷动力学行为，主要以表面光伏技术系统地研究光生电荷在异质结构体系界面的产生、分离、转移及复合等动力学过程，重点阐明经表界面调控的复合催化材料在光催化过程中产生的光生电荷的分离传输微观机制及表界面特性对分离方向和分离效率的影响规律，建立材料界面特性、光生电荷行为和光催化性能三者之间的关系，为深层次探讨光催化机理、构建和完善高性能光催化降解污染物体系奠定理论基础，发展一种在太阳光下能有效快速地去除水库、湖泊等富营养化水体中残留的微囊藻毒素的磷酸银基光催化材料。

缓慢的表面反应动力学，较快的电荷捕获，较短的载流子扩散长度所造成的光生载流子复合严重是导致磷酸银量子效率下降的最根本原因。该基金项目围绕磷酸银表界面调控开展了如下研究：. （1）采用结构导向剂、离子液体辅助、离子掺杂等调控方法制备了形貌可控纳米结构Ag3PO4；制备了2种电子传输媒介：氮掺杂石墨烯和CQDs；制备了4种导电聚合物材料（P3HT、聚酰亚胺（PI）、p-g-C3N4和ZnTCPP）和2种2D窄带隙材料WO3、BiVO4。通过多种表征研究了材料的制备条件对形貌结构等的影响；（2）进一步通过界面调控策略调控了Ag3PO4异质结构光催化材料的界面，设计了高效可见光催化剂；表征了调控前后材料的界面特性，利用SPS和光电流响应等分析了各调控因素对材料的光生载流子动力学行为影响机制，优化了界面调控条件，建立了材料界面特性与光生电荷行为间的关系；（3）对不同调控条件下制备的催化剂进行可见光降解MC-LR等实验，研究了催化降解MC-LR的活性物种种类和数量，剖析了MC-LR等的降解路径。进一步阐明了各催化剂组分在光催化反应和光腐蚀抑制过程中的作用，并提出了催化反应协同作用机理。. 该项目已全部完成了申请项目书中的研究内容，全部达到了研究目标。具体包括：（1）实验阐明了结构导向剂、离子液体辅助、离子掺杂等调控表面助剂的种类和浓度对磷酸银形貌结构等的影响规律；（2）实验得到了依据表界面调控组装并能显著提高光催化矿化能力和光催化稳定性的磷酸银基光催化剂；（3）阐明了复合光催化剂表界面调控前后的材料界面特性、光生载流子动力学行为影响机制及光生电荷在界面的分离传输方向，并阐明了光生载流子传输转移的Z型机制；（4）阐明了复合光催化剂降解有机污染物光生电荷行为-催化性能间关系及催化剂各组分协同降解机制，剖析了MC-LR的降解路径。研究提出了Ag3PO4光催化剂的调控增强稳定机制，解决了Ag3PO4实际应用中光生载流子复合严重、光稳定性差致使量子效率低的难题。研究方法和结果为Ag3PO4在光催化领域的应用提供了理论依据和技术支持。