具有可见光催化活性的硅酸盐天然纳米晶体研究

Photocatalysis has received much attention due to not only its scientific interest, but also its potential industrial benefits as an energy source and environmental protection. For example, the photochemical splitting of water to generate hydrogen is of critical importance for the development of a sustainable energy in the future. So far there have been many reports related to different approaches for the water splitting, but to our knowledge, there have hardly investigations on natural products, especially for silicate minerals as splitting catalyst. Herein, we used natural and low cost silicate minerals with nanosized structure, for example attapulgite and halloysite as 1D nanomaterial, vermiculite and nontronite as 2D nanomaterial and so on, to effectively split water for hydrogen generation in the sunlight irradiation. There is an effort to establish research area of silicate-based mineral referred to hydrogen generation: (1) These products, not only as a type of natural and low cost silicate clay mineral but also as a high quality nanosized material with large surface area, will be made good use for water photocatalytic splitting. (2) The silicate nanocrystals with transition metals doping are usually colorful, lead to effective absorption of visible light.(3)Because it has been found that some other Fe-containing compounds (iron hydrogenase, Fe2O3 etc) have excellent ability to photocatalytically split water for hydrogen generation, we will explore similar function of these natural silicate minerals with Fe-doping by computational simulation as well as chemical analysis.(4)We will concern not only their catalytic ability but also their stability.

包括光催化分解水制氢气在内的光催化研究，较少涉及天然产物，更无利用硅酸盐矿物作光催化剂主体的深入研究。硅酸盐矿物不仅在地壳中分布广、种类多、廉价易得，而且部分还具有0至2维的纳米结构，本项目拟开展利用含铁等掺杂元素硅酸盐天然纳米晶体（如凹凸棒石、蛭石、埃洛石、绿脱石等），进行光催化分解水制取氢气等的研究。1.旨在利用这些纳米材料巨大的比表面积直接作光催化剂主体（以往部分硅酸盐只是作催化剂的支持物-载体）；2.在大自然的演化过程中，一些硅酸盐在生成时，晶体中的镁、铝离子可被铁等过渡金属离子替代，从而形成含铁元素等天然掺杂硅酸盐，它们通常带有颜色，可有效吸收阳光中大量的可见光；3.一些含铁化合物（如铁氢化酶、赤铁矿等）已被证实具有优异的光催化分解水制氢气等功能，本项目将从计算和实验两个方面进一步探索含铁硅酸盐等天然纳米晶体材料的相应功能；4.同时关注相关硅酸盐的光催化活性与稳定性。

半导体光催化是一种绿色环保的将光能转化为化学能的新能源技术，在环境治理和缓解能源危机方面具有重要的应用前景。天然硅酸盐纳米材料作为一种新型光催化材料，以其特殊的纳米结构、廉价易得和高比表面积等特点，而受到了各国研究者们的广泛关注。基于此，本项目研究了几种基于天然硅酸盐的具有较高活性的可见光响应复合型光催化剂，并通过系列表征分析研究其形貌调控与光催化活性。另外，该项目还支持了过渡金属硫化物/氮化碳等复合型光催化剂的性能研究，获得了水平较高的成果。.本项目主要研究内容如下：.1、基于凹凸棒石调控的银基复合光催化剂制备及其性能研究.利用一维天然纳米材料——凹凸棒石（PAL）表面带有负电荷的特性，通过超声辅助沉积、室温沉淀等方法制备α-AgVO3/PAL、AgVO3/PAL和Ag3PO4/PLA等银基复合光催化剂。凹凸棒石的引入，对银基材料起到明显的形貌调控等多重作用，银基/凹凸棒石复合光催化剂具有优异的可见光光催化降解污染物以及光催化杀菌性能。需要强调的是，凹凸棒石在此已不是简单的催化剂载体，同时还起到了分散剂、稳定剂和银盐生长导向剂的多重作用（见正文中封面论文）。.2、基于凹凸棒石作用的BiOX (X=Cl, I)复合光催化剂的制备及其性能研究.在凹凸棒石分散液中采用简单温和的室温反应制备BiOX/PAL复合催化剂，发现凹凸棒石的加入量对复合物的自组装形貌影响很大。当凹凸棒石的加入量为20 %时，形成良好的自组装结构且具有良好的光催化性能和光稳定性。 .3、基于剥离的层状硅酸盐—金云母纳米片的几种氧化物催化剂的制备.采用聚丙烯酸纳插层法制备了剥离的金云母纳米片（Ephl，二维天然纳米材料），并将其作为载体应用于FeOOH/Ephl和Cu2O/Ephl体系，通过聚丙烯酸与Fe2+及Cu2+的化学键合作用，成功制备了颗粒较小的FeOOH和Cu2O负载于金云母片上，其复合体系的光催化性能较之纯催化剂有所提升。.4、过渡金属硫化物基复合催化剂的制备及光催化性能研究.采用简单的软化学法构建出CdIn2S4/g-C3N4、P-C3N4/ZnIn2S4、ZnIn2S4/MoS2和MoS2-GO-CuInZnS复合光催化剂。对所制备的光催化剂进行可见光下光催化降解有机染料、光还原对硝基苯胺 的以及光催化产氢性能评估，表明设计的复合催化体系能够有效提高光催化活性。