高效二氧化钛-碳复合纳米管光催化剂的构筑与调制、性能及强度的研究

Photocatalytic water-splitting is the challenging reaction for use of solar energy to produce hydrogen. Effective separating and transporting of electron and hole pairs is critical to enhance the photo catalytic efficiency of semiconductors. Recently, we invented a composite catalyst C/TiO2/C with a quantum efficiency of 97% in UV range. The photoelectric converting region of the composite catalyst expanded into visible light region, and the specific hydrogen production rate reached 37.6 mmol/h/g. The project aims to point out the structure-activity relationships of the composite catalyst by investigating its formation, modulation techniques, structure and properties. Main content includes: 1. Structure evolution and crystallization technology of TiO2 with carbon coating, and formation mechanism of carbon coating in thermal treatment based on nano-thermodynamics. 2. Relationship between structure and photocatalytic performance of composite catalyst. 3. Studying on nanoscale strength and destruction of the composite catalyst based on nanomechanics. Establishing effective relations among nano strength, mechanical strength and stability of the composite catalyst based on micropolar theory and multi-scale method.

光催化分解水制氢是利用太阳能制备氢能源的最具挑战性的反应之一，其中基于半导体的光催化中光生电子-空穴对的有效分离和迁移是提高光催化效率的关键。本课题组发明一种新型复合纳米催化剂，"C/TiO2/C"复合纳米管催化剂，在紫外区量子效率达到97%，有效光电转化区域拓展到了可见光区，产氢速率高达37.6 mmol/h/g，是一种高效的光催化剂。本项目旨在通过对这一新型高效光催化剂的构筑规律及其调制技术、结构与性能的研究，揭示其构效关系和催化剂优化路径。 主要研究包括：1、构筑规律及其调制技术研究：基于纳米热力学，分析在热处理中碳包覆层形成机制和演化过程，在碳包覆下TiO2的结构演化规律及晶型控制技术。2、催化剂结构与光催化性能的研究。3、催化剂强度研究：基于纳米力学研究催化剂的微纳强度和材料微纳破坏过程；应用微极理论和多尺度方法，建立固液体系中微纳强度与机械强度和长期稳定性的对应关系。

本项目旨在面向国家解决能源问题的重大战略需求，研究二氧化钛纳米材料及其纳米复合体系在光催化材料和能源材料方面的应用以及若干基础问题的研究。.项目组完成了二氧化钛纳米管、片、带和超长带的制备技术以及纳米结构的调制控制技术的研究，完成了碳包覆技术以及包覆层和界面结构控制技术的研究。成功地制备C-Ti-C复合纳米管，具有高效率的光催化性能，该成果获得发明专利，发表的论文有较好影响，3年时间里单篇引用达52次。.项目组制备出二氧化钛纳米片、纳米带、超长纳米带和蓝色纳米带，较好的掌握了纳米暴露晶面控制技术，应用硅烷偶联剂接枝-石墨化工艺实现碳包覆，包覆层厚度由硅烷偶联剂量控制，薄层可控制在1-2纳米。复合纳米结构有较好的化学键合界面。材料与商品化P-25相比较，光催化降解性能提高2-3倍。.项目组利用碳包覆技术改性有序多孔TiO2作为锂离子电池负极材料，实验结果表明，纳米碳包覆层构建了快速电子导电网络，碳纳米层有利于锂离子的传输， 提高了二氧化钛的高倍率性能。循环伏安测试表明 碳包覆提高了锂离子在二氧化钛中的脱嵌可逆性。.项目组开发了从氧化石墨烯高频超声制备小尺寸石墨烯和碳杂化材料的新途径。制备出石墨烯-磷酸铁锂复合材料，小尺寸石墨烯在复合材料中均匀分布，提高了磷酸铁锂的稳定性和比容量。采用该碳杂化结构制作的柔性电容器，在各种工况下柔性电容器仍然具有非常优异的容量保持率。.项目以二氧化钛纳米带为基，制备了C/SiOx/TiO2复合纳米材料用于作为高性能锂离子电池负极材料，初步实验具有高达500 mAh/g容量，应用前景非常看好。.项目组应用第一性原理研究了二氧化钛纳米材料及其复合体系若干物理化学力学基础问题，获得一些有参考价值的结论。.本项目发表学术论文17篇，获得湖南省自然科学奖二等奖一项，获得湖南省优秀博士学位论文奖一项，优秀硕士学位论文奖一项。获得发明专利1项，另外申报发明专利2项。