铌基氧化物负载贵金属等离子体光催化材料的制备与其可见光活性研究

Design and fabrication of visible-light responsive photocatalysts with high performance at the nanoscale is one of the most active areas in heterogeneous photocatalysis. In this project, we will utilize microwave-assisted hydrothermal method to synthesize niobium-based ternary metal oxides (AxNbyOz, A=Ce, W, Fe, Sn, Bi et al.), aiming at tuning the morphology (zero-dimensional nanoparticles, one-dimensional nanorods, two-dimensional nanosheets) and enhancing the visible-light response of the as-prepared samples. Compared to conventional hydrothermal synthesis, microwave-assisted hydrothermal method enables the synthesis of materials with relatively higher purity, smaller particle sizes without agglomeration using quick and even heating at low temperature in a short period. In addition, noble metal nanoparticles such Au and Ag will be deposited on niobium-based ternary metal oxides to form plasmonic composites, which will be tested to catalyze representative organic pollutants. The synergetic effects between niobium-based ternary metal oxides and noble metals in the process of photocatalysis will be addressed. Through this project, we will improve the controllable synthesis and doping of nanostructured materials of niobium-based ternary metal oxides, and in-depth understanding of the nature of surface plasmon resonance in photocatalysis. Furthermore, we will offer new strategy in developing novel and efficient technology toward environmental remediation.

在纳米层次设计和制备具有高活性及高可见光响应性光催化剂是光催化领域的研究热点之一。本项目拟采用微波水热法制备铌基三元金属氧化物（AxNbyOz, A=Ce、W、Fe、Sn、Bi等）,以实现对其形貌 (零维纳米颗粒、一维纳米棒、二维纳米片)的有效调控并改善其可见光响应性。和传统水热法相比，微波水热法具有加热速率快、均匀，能够在短时间、低温下合成纯度高、粒度细和分布均匀的材料。此外, 在铌基三元金属氧化物表面负载贵金属(Au, Ag)纳米粒子构筑等离子体光催化复合材料。将贵金属/铌基三元金属氧化物应用于典型有机污染物的降解处理，深入分析铌基三元金属氧化物和贵金属在光催化过程中的协同作用机理。该项目的开展将改进可见光响应性铌基三元金属氧化物纳米结构材料的可控合成与掺杂技术，促进多角度认识表面等离子体光催化的内在本质，并为开发新型高效环境治理光催化技术提供新思路。

在微纳米尺度设计和制备高效光催化剂是光催化领域的研究热点之一。本项目采用水热法制备了铌基金属氧化物,实现了对其形貌和晶相的有效调控。 进一步，在铌基金属氧化物表面负载贵金属(Au,Ag)纳米粒子以构筑等离子体光催化复合材料。将所制备的光催化剂应用于典型有机污染物的降解或裂解水制氢，深入分析光催化过程的作用机理。重要结果如下：.(1) 将具有相似尺寸、结晶度和比表面积的正交相和单斜相KNbO3纳米线降解罗丹名B光催化性能对比，发现前者的活性约是后者的两倍。利用先进球差校正扫描透射电子显微镜并结合自旋极化密度泛函理论计算，通过表征样品的表面原子结构，测量原子位移，定量局域极化率，揭示了光催化的本质在于原子结构差异所决定的本征极化率和电子结构的协同作用。.(2) 研究了银/正交相KNbO3纳米线的等离子体复合材料，其中银的重量百分比为0.4−2.8 wt %，分别在紫外光和可见光下催化降解罗丹明B。在紫外光下，催化活性随银的负载量的增加，先增加然后降低，1.7 wt % Ag/KNbO3的活性最大，约为KNbO3的13倍。而在可见光下，Ag/KNbO3催化活性随银负载量的增加而增加。自旋极化密度泛函理论计算表明，金属Ag颗粒生成的连续带隙态，决定了Ag/KNbO3在紫外光和可见光下的光催化行为。.(3) KNbO3微米方块裂解水制氢光催化性能依赖于晶相，呈现出立方相>正交相>四方相。密度泛函理论计算结果表明,立方相KNbO3晶体结构具有最高的对称性和最小的电子有效质量，有利于电子各向同性的传输，进而促进光生电子的转移，增强其光催化活性,而四方相铌酸钾和正交相铌酸钾催化活性的高低是由表面电子结构的差异导致的。. 本项目的开展改进了了铌基金属氧化物光催化材料的可控合成与贵金属纳米粒子的负载技术，促进多角度认识光催化的本质，为开发新型高效环境治理和清洁能源产生的光催化技术提供新思路。