具有分级结构的钛酸钙基高活性光催化剂的制备及构-效关系研究

当前光催化材料的低量子效率、低太阳光利用率以及分离困难等缺点是制约光催化技术在污水处理中应用的主要瓶颈和难题。本项目旨在设计开发出在紫外-可见光范围内高活性的具有分级结构的钛酸钙基光催化材料，解决大比表面积和高结晶度的矛盾和光催化剂不易分离的难题。通过广泛研究水热条件对成核-生长过程的影响，阐明钛酸钙分级结构的生长机制，实现可控制备。探明钛酸钙分级结构中纳米单元的聚集方式、独特的微观形貌及缺陷状态对光催化性能的影响规律，为进一步提高光催化活性奠定基础。通过引入d(8)金属元素，调制能带结构，实现钛酸钙分级结构在可见光照射下的高催化活性。本研究项目将为开发用于污水处理的高效实用的光催化材料提供理论和技术支持。

围绕钙钛矿结构氧化物光催化剂的制备方法、显微结构控制以及紫外/可见光光催化性能，对钛酸钙微纳结构及其掺杂固溶体和钛酸铅八面体纳米晶及二氧化钛/钛酸铅异质结构的构效关系展开了系统研究。研究了合成工艺条件（包括原料、水热温度、时间、表面活性和溶剂种类等）对钛酸钙树枝晶微观结构的影响规律，并制备了具有不同微观形貌的钛酸钙微纳结构，探明了这些微纳结构的生长机制，以及显微结构对光催化性能的影响规律。采用有机胺作溶剂，改变溶剂种类，溶剂热合成了钛酸钙纳米方块、星形结构和微米管等微纳结构。合成了钛酸钙/氢氧化钙复合光催化剂，光催化活性是纯钛酸钙的7.8倍，是商用P25的1.7倍，循环测试性能优良，具有良好的产业化前景。采用共沉淀-水热法成功制备了锆掺杂的钛酸钙，随着锆掺杂浓度提高，产物微观形貌由纯钛酸钙的树枝晶形貌逐渐演变成由大量片状颗粒组装而成的等级结构，比表面积增大。另一方面，由于Zr4+离子半径大于Ti4+离子半径，掺杂后会导致TiO6八面体畸变，造成微区结构无序，产生氧空位，进而提高了光催化性能。随着锆掺杂浓度增大，样品整体尺寸增大，有利于光催化剂分离及重复利用。在可见光催化剂探索方面，合成了具有增强的可见光光催化活性的钛酸铅八面体结构纳米晶。在水热反应过程中引入硝酸锂作为添加剂，通过在纳米晶表面形成Li-O键，调制产物的微观形貌，制备了钛酸铅八面体结构纳米晶。八面体纳米晶暴露面为8个等效的{111}晶面，与钛酸铅纳米片、钛酸钙树枝晶及P25相比，具有增强的可见光光催化活性。通过二步法制备了单晶二氧化钛/钛酸铅纳米纤维异质结构，界面处尖锐且结晶性好，获得了较高的可见光光催化活性。本项目研究成果将在水体和空气净化保护领域具有重要的科学意义和广阔的应用前景。