3D分等级中晶TiO2在降解POPs时的应用及构效关系研究

3D hierarchical mesocrystals have advantages of particular morphology, high crystallinity, high surface area, high porosity and superstructure of both nanoscale and microscale. They are becoming a research hotspot due to their resistance to aggregation and decline of reactivity. In this study, we aim to synthesize a series of novel mesocrystal TiO2 catalysts exhibiting 3D hierarchical superstructure through simple and convenient self-assembly method without template, and to evaluate their usability in degradation of POPs. Particularly, the relation between structure and efficiency will be emphasized. The study is supposed to supply approaches and theory support to synthesis of TiO2 photocatalysts of high activity and good prospect. Products of pure crystal phase and polymorphs will be prepared through adjusting the annealing temperature. Appropriate crystallographic controlling capping agent will be chosen and added in proportion to adjust the proportion of the {001} facet exposed. Characterization of the physical and chemical properties of the catalysts and their specialties and capability in degrading POPs will be performed to deduce the relation between structure and catalytic efficiency of the novel catalysts. This study is an interdisciplinary research of nanomaterial science, environmental science and catalysis technology.

3D分等级中晶材料具有高结晶度、大比表面积、高孔隙度和纳米与微米二级尺寸等特征，能够克服低维度材料易团聚而活性下降等难题，是当前光催化研究的热点内容之一。本项目拟通过非模板自组装的方法制备具有3D分等级新颖结构的中晶TiO2，评价其在POPs降解应用中的功效，重点探讨材料结构与降解效率之间的关系，为合成出具有高活性和广阔应用前景的TiO2光催化剂提供方法和理论支持。材料的晶型结构（纯态和混晶）通过调节退火温度控制；材料的{001}晶面比例通过晶面稳定剂的选择和添加量调控。结合3D分等级中晶TiO2反应前后理化性质表征结果、POPs理化性质和降解效率数据，系统讨论材料的体相形貌结构和晶体机构对POPs光降解的影响。该项目是属于纳米科学、环境化学和催化化学等领域的跨学科研究工作。

3D分等级中晶材料具有结晶度高、孔隙度高、二级单元有序排列等特点，以及与高度复杂的生物矿物质的相似性，一经报道就在催化、传感、能储等众多领域引起人们的高度关注。本研究开展了3D分等级中晶TiO2的制备及其在光催化降解有机污染物时的有效性以及构效关系研究。开发了几种无模板、无添加剂的简单易行有效的水热/溶剂热合成方法，研究了它们光催化降解有机污染物的有效性，并探讨了催化剂结构（构造结构、晶面结构及成分组成结构）与催化效能之间的相关性。分别制备了系列3D分等级层次结构、3D中空球形结构TiO2、3D壳核形貌TiO2、{001}晶面暴露3D分等级TiO2和Ti3+成分结构改变3D二氧化钛催化剂。它们都呈现由低维度纳米颗粒（0D）或纳米薄片（2D）亚组分自组装形成的3D层叠复杂结构，因此同时具备了纳米和微米级材料的大比表面积、高孔隙度和易于应用分离等特点，并且衍生出3D层叠结构独有的应用特性。研究结果表明，3D分等级中晶TiO2在降解有机污染物时比相应的低维度亚组分结构TiO2具有更强的光催化降解效能，验证了二氧化钛催化剂的催化效能与其结构之间存在必然联系。三维层次超结构与低维度相比能通过对辐照光的多重反射/折射从而显著提升辐照光利用率；大比表面积能够增加表面活性反应区域，一方面能够提高对有机污染物分子的吸附能力，另一方面增大了辐照光在催化剂表面的响应几率；丰富的孔隙能够提高污染物分子和其降解产物在反应体系中的物质交换速率，从而增强其催化降解有机污染物的效果；高能晶面{001}面暴露率的提高显著增强光催化降解效率；自我修饰的成分组成调节（Ti3+存在导致的氧空穴增加）能够有效地将TiO2光反应边界拓展至可见光区，从而显著提高其太阳光利用率和实用前景。本研究开发了多种简便有效的制备3D分等级结构TiO2的新方法，为TiO2及其它金属氧化物的设计及制备提供了新的思路，也为TiO2的其它修饰与功能化提供了基本素材。有关构效关系的研究为制备新型、高效的TiO2光催化剂提供了理论依据，对拓展TiO2的应用领域和太阳光的有效利用提供了方法学和基础理论支持。