可见光响应型锡酸盐光催化剂的长余辉特性引入及持续催化降解性能研究

Photodegradation usually occurs at room temperature and pressure for environmental purification and may be more cost-effective than other conventional techniques. However, this technique is still in the developmental stage for pollutant removal in in/out door environment. Recently, the utilization of long afterglow phosphors for photocatalysis has raised much concern, because these material could provide persistent luminescence for photocatalytic reaction without additional light irradiation. This promising strategy, involves coupling of visible light induced photocatalyst with long afterglow phosphor, provides a possibility of environmental purification not only in day time, but also in night time. But, this novel system is faced with a tremendous set of practical problems related to the combination of two different materials. For example, the combination could reduce the content of photocatalyst, meantime, cause a decrease in the luminescent property of long afterglow phosphor, even if the optimization was formed. In order to obtain a high efficient photocatalyst with the assistance of persistent phosphorescence, a series of luminescence emitting stannate semiconductor photocatalysts will be developed, with oxygen deficiency generation and rare earth ions doping. The assistance effect of persistent phosphorescence on the photocatalytic activity will be investigated, especially that before or after the light source removed off. The key to the development of efficient photocatalyst is the exploration of photocatalysts with large specific surface area, visible-light response, and good persistent photocatalytic activity. This research is not only a new concept for the photocatalyst synthesis and application, but also benefits the crossing and integration among the multiple subjects of chemistry, material, environmental, and energy science.

光催化是解决环境污染和能源短缺的重要手段，但目前半导体光催化材料均存在量子效率低和太阳能利用率低的主要问题。通过向光催化体系引入长余辉，在移除外置光源后，可以利用余辉辅助继续催化降解反应，从而达到高效利用光能及持续环境净化的目的。目前光催化剂直接与长余辉粉进行复合，造成光催化剂含量的降低，也影响余辉辅助优势的发挥。根据现有的大量研究数据，选择在光催化和长余辉领域均有研究报道的锡酸盐半导体材料作为研究对象。采用氧空位生成、稀土元素掺杂等改性技术制备可见光响应型光催化剂的过程中引入长余辉发光中心，在获得大比表面积、高效光能利用的锡酸盐光催化材料的同时无需复合长余辉粉获得余辉特性。研究分析引入长余辉特性对移除外置光源前后催化降解活性的影响，从而建立全天候光催化降解反应模型。该项研究为新型高效光催化材料的研究提供了崭新的思路，对促进化学、材料、环境和能源等学科的交叉融合具有重要的意义。

光催化是环境净化和发展可再生能源的一种绿色途径。一方面，无光照条件会限制光催化的应用，另一方面新型高效光催化剂有待研发。研究长余辉特性在光催化反应中的作用和新型高效光催化剂的可控合成及性能研究，对于提高太阳光利用效率、促进光催化发展具有重要意义。本项目围绕锡酸盐光催化剂的缺陷调控和性能研究，长余辉特性在光催化反应中的应用，新型光催化剂类石墨烯氮化碳的可控合成和性能研究三个研究要点展开工作，取得以下主要结果：采用溶剂热法制备了一系列不同改性修饰的锡酸钙、锡酸锶、锡酸钡等钙钛矿结构的光催化剂，并通过研究其不同的前驱体获得了氢氧锡钙光催化剂，研究了缺陷控制对性能调控的影响，提出氧缺陷对钙钛矿型光催化剂性能的关键性作用。并且，选择具有可见光活性的类石墨烯氮化碳光催化剂和长余辉特性优异的商用荧光粉制备复合光催化剂，进一步研究长余辉特性在光催化反应中的作用，用实验数据论证了长余辉可以延长光催化反应的进行，结果表明，黑暗中仅依赖肉眼可见的长余辉，光催化剂可以对染料亚甲基蓝进行一定程度的降解，从而提高了光能的利用率。另外，开发了二维纳米结构的超薄类石墨烯氮化碳光催化剂，该光催化剂在可见光照射下表现出优于氮掺杂二氧化钛的催化活性。设计了简单易行、环境友好的合成工艺路线。研究了共轭度和离域π系统对类石墨烯氮化碳的光催化性能的影响，提出了共轭度和离域π系统对提升载流子传输起积极作用的研究结论。本项目的研究成果有助于分析光催化机理和设计高效复合光催化剂，对提高光能利用效率提供了理论依据，具有重要理论意义和应用价值。