复合上转换材料与非金属掺杂TiO2耦合光催化性能调控的基础研究

This project is to meet the strategic needs about the water pollution treatment and the development of new clean energy. It's to solve the problem of the short cutoff wave length of TiO2 photocatalyst, and the low solar conversion efficiency. The research focus on: 1) Co-luminescence properties and mechanisms of the up-conversion composite materials; 2) Controlling the concentration and microstructure of TiO2 doping by the non-metallic elements (N, C) using heat treatment in electric field, expanding the absorption edge of TiO2, improving the absorption range of TiO2 on the solar spectrum; 3) The coupling photocatalysis properties of the up-conversion composite materials and TiO2; 4) The coupling and matching mechanisms of the luminesence of up-conversion composite materials and the photocatalysis of TiO2. This research can obtain the coupling photocatalysis theory and the processing technology of TiO2 photocatalyst based on up-conversion, achieve efficient application of the ultraviolet to near-infrared bands of solar spectrum, improve the efficiency of conversion of light energy, broaden the application of TiO2 in the field of water pollution treatment, solar photovoltaic power generation, and solar hydrogen production.

本课题针对我国水污染处理和清洁新能源开发的战略需求，解决TiO2光催化剂截止波长短，太阳能转换效率低的问题，重点研究：1）复合上转换材料的共发光的实现及共发光机制；2）采用电场热处理控制非金属元素（N、C）的掺杂量与掺杂方式，拓展TiO2的吸收边，提高TiO2对太阳光谱的吸收范围；3）复合上转换材料和TiO2的耦合光催化作用机理研究；4）揭示上转换发光与TiO2光催化的耦合匹配机理。通过本课题的研究，能够获得一种基于上转换的TiO2光催化剂制备技术和耦合作用理论，实现对太阳光谱的紫外-近红外波段的高效利用，提高光能转换效率，拓宽TiO2在水污染治理，太阳能光伏发电，太阳能制氢方面的应用。

本项目获得了5个方面的研究成果：（1）获得了Tm3+、Ho3+、Er3+和Yb3+掺杂的BaLa2ZnO5体系的上转换材料：在980 nm激发下, Tm3+/Yb3+掺杂BaLa2ZnO5 主要出现478 nm左右的蓝色发光；在Ho3+/Yb3+ 掺杂的BaLa2ZnO5中，上转换的发光主要表现为强烈的绿光（548 nm），Er3+/Yb3+ 掺杂的BaLa2ZnO5上转换材料中，同时观察到强烈的绿光 (527nm, 553nm) 和红光(664nm) 发光；（2）获得了Tm3+、Ho3+、Er3+和Yb3+掺杂的SrIn2O4体系的上转换材料，并进一步得到了Ho3+和Yb3+掺杂的(Ca1-xSrx)In2O4复合基质上转换材料。在SrIn2O4: Tm3+/Yb3+上转换材料中，可以观察到明亮的蓝光发射（486nm）, SrIn2O4: Ho3+/Yb3+为546nm左右的绿色发光，SrIn2O4: Er3+/Yb3+显示了非常强的绿色(550nm) 和红色 (663nm) 的上转换发光。（3）得到了新型Er3+/Yb3+掺杂的LaInO3上转换荧光材料。（4）获得了新型发光材料Sr8La2O2(PO4)6:Eu2+、Ca9La(PO4)5(SiO4)F2:Ce3+,Tb3+、Ba3Sc(PO4)3:Eu2+,Tb3+和Y4Si2O7N2:Ce3+,Tb3+,Yb3+等；（5）得到了暴露｛001｝晶面的TiO2的制备技术，制备了Ho3+/Yb3+掺杂CaIn2O4上转换材料包覆的暴露（001）晶面TiO2的复合材料，对其光催化性能进行了表征；通过使用溶胶凝胶法和微乳液法制备TiO2包覆SiO2，获得了TiO2的粉体包覆的制备技术；采用湿法化学制备了Er3+/Yb3+掺杂的NaYF4上转换材料，并通过TiO2复合SiO2包覆NaYF4: Er3+/Yb3+上转换材料，研究了复合上转换材料和TiO2 粉体的制备技术和光催化性能，构建了耦合光催化的作用机制和物理模型。