基于肖特基效应和表面等离子体共振协同增强TiO2/MxOy复合纳米纤维光催化产氢的研究

Energy crisis and environmental pollution have become increasingly serious issues for human beings to confront in modern society. In order to get green energy, water can be split into hydrogen by semiconductor-based photocatalysts. However, there still existed several major issues limiting to the industrialization process: low sunlight utilization rate, low quantum efficiency, high over potential (relative to H2) and the problem of separate and recycle. In order to solve the problems, it is highly challenging but desirable to design an artificial multi-component photosynthetic system based on surface plasmon resonance of noble metals and noble metals/semiconductor Schottky effect in which TiO2/MxOy composite nanofibers were modified by noble metal nanoparticles, and the bandgap of MxOy were controlled by choosing different metal oxides. Besides, the large aspect ratio, high specific surface area and unique web mat structure of electrospun nano-materials make it easily separated and recycled. Finally, the photocatalytic mechanism would be further studied by combining the results of verification experiments and theoretical simulation experiments.

能源短缺和环境污染是当前人类面临的重大挑战。半导体光催化技术能够利用太阳能光解水获得清洁能源氢能，从而实现绿色能源的转换。然而，太阳光利用率低、量子效率低、较高的过电势（相对H2）以及液相应用中难于分离回收等缺点是困扰传统粉体光催化剂产业化进程的瓶颈问题。为此，本课题基于贵金属表面等离子体共振和贵金属/半导体的肖特基效应协同作用，同时借助电纺纳米材料的大长径比、高比表面积和独特的纤维网毡结构，拟构筑贵金属纳米粒子修饰的TiO2/MxOy复合纳米纤维材料，通过对不同带宽半导体氧化物MxOy的系统研究，获得具有太阳光利用率高、量子效率高、产H2性能优异以及回收再利用特性良好的环境友好型高效一维纳米纤维光催化材料。同时，结合辅助性实验、验证性实验以及理论模拟实验结果，探索协同增强光催化机理，为光催化材料及相关技术在未来环境治理以及清洁能源领域的应用提供新思路。

项目执行期间，围绕半导体光催化方向太阳光利用率低、量子效率低、较高的过电势（相对H2）以及液相应用中难于分离回收等难点问题开展了如下研究：1) 运用静电纺丝技术制备出纳米TiO2@WO3纤维，水热法包覆均匀的碳层，在纳米纤维的表面形成易于电子传输的多通道传输层（WTC），实现了产氢效率的大幅提升。2) 制备了单分散的SnS2@SnO2纳米花异质结，拓宽了可见光吸收范围 (350-800 nm)。展现出了极好的光催化活性(六价铬降解率可达90%)和优良的循环稳定性。3) 用Au纳米颗粒修饰TiO2/WO3电纺纳米纤维，通过肖特基效应和表面等离子体共振效应协同作用使得材料表现出了极好的光催化活性(全光条件下可达269.63 umol/h)。4) 用Au, Pt纳米颗粒修饰TiO2/WO3/电纺纳米纤维，通过多通道体系和表面等离子体共振效应协同作用使得材料具有较宽的可见光吸收范围和高的产氢活性(可达242.09 μmol·g-1 h-1)。5) 运用静电纺丝方法和水热法两步合成二维MoS2纳米片和TiO2/WO3纳米纤维异质结，当MoS2的含量是60%时，光催化产氢活性最高达到273.69 μmol·g-1 h-1。6) 运用静电纺丝方法获得碳布做为集流体，通过一步球墨法使得质量分数高达88.5 wt.%的硫可以与高导电性石墨烯(HCG)粉体有效结合，使得硫被合理的固定在相互交错的石墨烯薄片三维网络结构内。实现了Li-S/HCG电池极高的全阴极容量、高面积容量和能量密度、优异的倍率性能和良好的循环稳定性。7) 运用静电纺丝技术，将rGO纳米片引入到电纺PAN纳米纤维膜内，显著增加了PAN纳米纤维膜PM2.5活性捕获位点，提高其拉伸强度，进一步提高了空气过滤过程中膜的透气性。此期间，发表SCI论文11篇，获得国家发明专利授权2项。