基于聚合物微球制备有序介孔Ag/AgCl杂化光催化材料及其光催化性能的研究

Photocatalytic materials that can absorb and convert solar light are the key for renewable energy production and pollutant elimination using solar energy, which is a very important way and the development trend to solve energy crisis and environmental issues. Ag/AgCl nano-materials is an efficient photocatalytic material because of the strong surface plasmon resonance effect and high conductivity of metallic Ag nanoparticles. However, it suffers the problems of limited catalytic active sites, particle aggregation, and difficulty of collection and reusability. Thus, the present project intends to introduce mesoporous structure into Ag/AgCl heterostructure materials using polymer microspheres as the template, affording large specific surface area, avoiding aggregation and enhancing the reusability. The polymer microspheres will be prepared by soap-free emulsion polymerization to prepare predetermined templates. The influence of the structure of the template and conditions on the structure of mesopore and chemical composition will be intensively studied in order to establish the new method to construct ordered mesoporous structure and control the structure of mesoporous Ag/AgCl. At last, the effect of the mesoporous structure on the absorption of solar light, separation of photo-induced electrons and holes and the adsorption and conversion of target molecules will be investigated, giving the relationship of the porous structure of Ag/AgCl, photo-electric properties and photocatalytic properties, and developing new efficient photocatalysis materials.

利用清洁的太阳能制备可再生资源、消除污染物，是解决能源短缺和环境污染问题的重要途径和发展方向，其核心是可吸收、转化太阳能的光催化材料。其中，Ag/AgCl杂化材料是一种比较高效的光催化材料，因为Ag纳米颗粒拥有较强的表面等离子效应和高导电性。然而，其存在催化活性中心不足、纳米颗粒易聚集、难回收等问题。因此，提出以聚合物微球为模板，将有序介孔结构引入Ag/AgCl杂化材料，赋予材料高比表面积，避免因聚集导致催化效率降低，同时增强材料的可回收性。通过无皂乳液聚合合成聚合物微球，制备介孔模板。研究模板结构、Ag/AgCl制备条件等对介孔结构和化学组成的影响规律，建立构筑有序介孔结构的新方法，实现对介孔Ag/AgCl材料的结构控制。研究介孔结构对太阳光的吸收、光生电子-空穴分离和对底物的吸附及转化特性，揭示Ag/AgCl杂化材料介孔结构—光电特性—光催化性能的内在联系，发展新型太阳能光催化材料。

针对粉末状态催化材料收集困难、比表面积不足、活性有待提升等问题，本项目提出基于乳胶粒成核、生长控制调控聚合物纳米微球粒径，基于聚合物微球构筑介孔Ag/AgCl、介孔氧化铈锆和三维有序大孔氧化铈锆催化材料，基于分子结构构筑有机及有机-无机复合的多孔光催化材料的思路。聚焦研究目标，深入研究了单分散聚合物纳米微球粒径控制、多孔光催化剂和氧化铈锆催化材料的构筑方法和实现途径。揭示出了乳液聚合方法和聚合工艺对聚合物纳米微球粒径的影响规律，建立了单分散聚合物纳米微球的合成方法。揭示了聚合物微球和制备工艺对催化材料多孔结构的影响规律，建立了介孔Ag/AgCl、介孔氧化铈锆和三维有序大孔氧化铈锆催化材料的制备方法。深入研究并揭示了了多孔结构对光催化材料光物理和光化学的影响规律、对氧化铈锆材料热稳定性及尾气污染物的催化净化作用。研究结果表明，通过有机溶剂增溶、乳化剂保护和氧化-还原引发剂快速分解促成核等手段可以有效降低聚合物纳米微球粒径、控制粒径分布。以聚乳酸微球为模板，通过聚乳酸微球水解消除和产酸中和Ag(NH3)2Cl可以实现介孔Ag/Agl光催化材料的构筑。通过聚合物纳米微球可以向介孔氧化铈锆材料中引入更大的介孔，提升材料高温稳定性；单分散聚合物微球构筑的大孔氧化铈锆可以有效提升其对碳烟的催化燃烧，关键在于两者的接触效率。立体交联结构比平面交联结构的多孔有机材料具有更高比表面积，平面交联结构更有利于电荷分离，催化活性高，结构稳定。多孔结构的引入，有利于催化材料与有机污染物接触，提升广生电荷转移效率，促进光催化反应。这些研究为制备高活性、易回收、高稳定性的光催化材料和高性能多孔铈锆催化材料提供新的思路和实践依据，将有利于光能转化和环境污染治理。