利用晶格失配应力窄化带隙的新型纳米复合光催化剂的开发及光催化性能研究

Semiconductor-based photocatalysis holds great promise for applications in decomposition of organic pollutants and water-splitting to produce hydrogen with solar energy, and is regarded to be a green technology for solving environmental and energy problems. Narrowing the bandgap of semiconductors has an important significance to extend their light-responsive range, improve their visible-light photocatalytic activity, and promote the industrial applications of photocatalytic technology. In this project, a polyacrylamide gel route is used to fabricate core/shell structured nanocomposite photocatalysts, where the core phase chosen is MgO、SiO2、LaAlO3 and SrFeO3, and the shell phase is titanium oxide photocatalysts TiO2、SrTiO3 and BaTiO3. The main aim is to narrow the bandgap, extend the light-responsive range and hence improve the visible-light photocatalytic activity of the photocatalysts through tailoring their lattice parameters using the lattice mismatch stress between core/shell phases. We will study the controllable fabrication, crystal structures, microstructures, electronic structures, lattice mismatch stress, energy bandgaps, and photocatalytic properties for decomposing organic pollutants and water splitting into hydrogen, and explore the intrinsic relationship between fabrication, structures and photocatalytic properties of materials. Based on the project research, we expect to develop advanced nanocomposite photocatalysts with high visible-light response.

半导体光催化技术在利用太阳能降解有机污染物和分解水制氢方面显示出巨大的应用前景，被誉为是解决环境污染和能源危机问题的一种理想"绿色技术"。窄化半导体光催化剂的带隙对拓展其光响应波长范围、提高可见光催化活性、推动光催化技术的工业化应用具有重要意义。本项目以MgO、SiO2、LaAlO3和SrFeO3为内核相，以钛氧化物光催化剂TiO2、SrTiO3和BaTiO3为壳层相，采用聚丙烯酰胺凝胶法制备核/壳型纳米复合颗粒，利用两相之间的晶格失配应力调控光催化剂的晶格参数，以窄化其带隙，实现拓展光催化剂的光响应波长范围、提高可见光催化活性。研究材料的可控制备，系统地研究材料的晶体结构、显微结构、电子结构、晶格失配应力、带隙及光催化降解有机污染物和分解水制氢的综合光催化性能，寻找材料的制备、结构、光催化性能之间的内在关联机制，开发出高效可见光响应的新型纳米复合光催化材料。

采用聚丙烯酰胺凝胶法、水热法、共沉淀法等先进的纳米材料制备技术系统开展了包括BiVO4、La0.7Ca0.3MnO3、La0.7Sr0.3MnO3、TiO2、NiFe2O4、BiFeO3、Bi2Fe4O9、CaTiO3、LuFeO3、SrTiO3、BaTiO3、Bi2WO6、Ag3PO4、CuBi2O4、Bi4Ti3O12等各种新型半导体光催化材料纳米结构的制备。研究了络合剂、pH值、离子浓度、结构导向剂等实验参数对纳米材料的纯度、形貌、尺寸的影响；通过调节优化实验参数制备出球状、多面体、长方体、菜花状、片状、珊瑚状等各种独特的纳米结构。利用XRD、SEM、TEM、BET、XPS、PL、紫外-可见漫反射光谱等各种先进的材料表征技术研究了制得纳米材料的晶体结构、电子结构、显微形貌、成分等。系统研究了制备的各种纳米光催化剂在模拟太阳光照射下降解有机染料的光催化性能及光催化机理，总结出光催化剂颗粒尺寸、形貌对其光催化活性的影响规律。大多数半导体受光激发产生的电子-空穴对很容易复合，光子的利用率低，光催化活性不高。针对这一关键问题，采用石墨烯、g-C3N4、Ag纳米颗粒对La0.7Sr0.3MnO3、BiFeO3、SrTiO3、CaTiO3、NiFe2O4、BaTiO3等光催化剂进行修饰，制备出复合光催化剂，并对其光催化性能和机理进行了系统研究。结果发现，复合光催化剂中光生电子/空穴对可有效分离，使得光催化性能得到了增强。此外，钛氧化物半导体的带隙较宽（3.2 eV），只能吸收波长小于388 nm的紫外光，因此太阳能的利用率很低。针对这一问题，以CoFe2O4、SrFeO3为核，BaTiO3为壳，制备出核壳结构的CoFe2O4/BaTiO3、SrFeO3/BaTiO3纳米复合颗粒，利用二者之间的晶格失配应力，使BaTiO3的带隙变窄，从而增加了可见光的吸收，相关的光催化性能及机理正在进一步研究当中。.受本项目资助，已完成并发表研究论文32篇，其中30篇发表在SCI收录期刊，1篇发表在EI期刊，另外，有多项相关研究成果正在整理发表当中。部分研究成果获得甘肃省高校科技进步二等奖（2014年）。参加国际学术会议4次，邀请2名相关研究领域的国内知名专家来课题组进行学术指导。培养青年教师1名、硕士研究生13名、联培博士研究生2名。