新型金属氧酸铋纳米光催化剂的制备与应用研究

The degradation of environmental pollution and production of energy resources based on the photocatalysts with nanoscale structures and efficient performance have been becoming a hotspot in the research field of materials, environment and energy. Bismuth series photocatalysts, especially bismuth oxometallate, are regarded as a potential new type of visible light response photocatalysts, due to their unique electronic structure and outstanding ability. This project aims at synthesis of novel bi d10 electronic structured bismuth oxometallate materials with designed nanostructures, and their modified, doped, and composite derivatives by the methods of hydrothermal preparation, chemical vapor deposition (CVD), and so on. The as-prepared photocatalysts are then investigated in the application of production of energy resources (i.e. photocatalytic/photoelectrocatalytic H2/O2 production, water splitting, and CO2 reduction) and environmental conservation (i.e. degradation of dyes, POPs, and microbial contaminants). Mechanism study will be carried out by varieties of characterizations and analysis, to explore the relationship between composition, structure, morphology, surface properties and photocatalytic performance. Some effective methods improving light absorption, catalytic activity and stability will also be proposed.

利用纳米尺度与结构的光催化剂材料其高效性能制备清洁能源和降解环境污染物已成为材料、环境与能源领域的研究热点。以金属氧酸铋为代表的铋系光催化剂因其独特的电子结构和优异的性能，被认为是一种极具潜力的新型可见光响应型催化剂。本项目旨在以水热法、化学气相沉积等方法制备一系列具有独特纳米结构的双d10电子结构金属氧酸铋盐本体及其修饰、掺杂与复合材料，开展这些催化剂材料在清洁能源和环境治理方向的应用研究，并对其组成、结构、形貌、表面性质、光催化性能之间的联系展开研究，从机理上探讨材料光吸收性能、催化活性与稳定性的改善途径。基于以上的研究内容，拟提出构筑具有特定纳米结构与设计组分的新型金属氧酸铋盐材料的方法和技术，开发出若干种在可见光催化降解有机污染物、光(电)解水制氢、制氧、水全分解、还原二氧化碳等应用上具有优异性能的新型金属氧酸铋盐催化剂，并提出合理有效的改性方法和可供参考的光催化机理分析思路。

本项目围绕着开发新型的双d10电子构型金属氧酸铋高活性光催化剂的这一主要目标，系统的研究了化学气相沉积法在制备双金属氧酸铋盐纳米材料中的技术方法，实现了Bi-Sn双金属氧酸铋纳米线的制备以及硫掺杂改性。所制备的γ-Bi2Sn2O7纳米线，由于其高表面能晶面的暴露，在光电催化二氧化碳还原应用中，催化效率和选择性都较水热法制备的低表面能暴露的纳米颗粒有了明显的优化。采硫脲水热的技术进行S掺杂改性的催化剂样品中，γ-Bi2Sn2O7纳米线晶体结构、形貌与尺寸、表面性质等性质都得到了保持。同时，由掺杂带来的能带结构改善与光吸收性质增强，以及表面催化活性结构电荷分布的优化都使得掺杂样品在光电催化二氧化碳还原的效率和选择性上有了进一步显著的改善。理论计算结果显示，无论是化学气相沉积法制备的γ-Bi2Sn2O7纳米线，还是掺杂改性样品，对于反应决速步骤的优化，是其性能提升的原因。这些工作无论是在实验技术上，还是对光催化反应通过机理研究指导性能改善的理论实践方面，为相关的铋系光催化剂及其他的无机光催化纳米材料性能工作提供了一定的借鉴。