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二氧化钛纳米带表面异质结构——一种全光谱太阳光催化剂解决策略(small and AM)  

2013-12-15 06:48:06|  分类: 化学物理与电池 |  标签: |举报 |字号 订阅

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     利用太阳光作为持续能源供给进行有机污染物的光催化降解是利用可再生能源进行环境治理的重要的解决策略。然而,二氧化钛纳米颗粒虽然具有很强的紫外光催化作用,但其可以利用的光谱,仅仅占太阳光能量的不到5%。近年来,虽然不断有各种可见光催化剂问世,但大部分可见光催化剂紫外光催化活性差。因此,目前存在的光催化剂,都存在催化效率低、光催化活性光谱范围窄等缺点,难以利用太阳光实现有机污染物的高效光催化降解。利用二氧化钛纳米带作为基体材料,在表面组装具有可见光催化活性的第二相纳米颗粒,不但可以保留二氧化钛高效的紫外光催化作用,充分发挥可见光催化剂的可见光催化作用,实现宽波段光催化,而且由于两相之间可以形成异质结构,抑制光生载流子复合,从而获得高效、宽谱的光催化剂。这种二氧化钛纳米带表面异质结构为全太阳光谱高效光催化剂提供了一个全新的解决方案。近期,山东大学晶体材料国家重点实验室刘宏教授课题组在二氧化钛纳米带表面异质结构的设计合成和光催化性能研究方面做了深入、系统的研究工作,相关结果近期发表在Advanced Materials (卷首插图)和Small上。

     二氧化钛纳米带表面异质结构的设计可以基于半导体异质结构理论,比如利用肖特基效应,p-n结效应和能级匹配等,对二氧化钛纳米带表面与组装的纳米颗粒之间的界面能带结构进行调节,从而实现光生载流子的有效分离。更重要的是,由于纳米带具有较大的表面积,组装可见光催化剂颗粒时,适当的颗粒尺寸和颗粒分布密度,可以在提供可见光催化活性的同时,保留二氧化钛的紫外光催化活性,实现紫外-可见宽波段光催化。比如,刘宏课题组在在二氧化钛纳米带表面组装了氧化铈纳米颗粒的异质结构,同时具有比二氧化钛更优异的紫外光催化性能,和比氧化铈更出色的可见光催化性能。另外,由于氧化铈对有机污染物具有较强的吸附作用,光催化过程中表现出的吸附-催化降解-释放的机理,大大提高了氧化铈-二氧化钛纳米带表面异质结构复合纳米材料的光催化性能。最近,刘宏课题组发现钨酸铋纳米片兼有可见光催化和红外光催化活性,将钨酸铋纳米片组装到具有紫外光催化活性的二氧化钛纳米带上,实现了紫外-可见-近红外宽谱光催化,为实现太阳光驱动的光催化降解提供了重要的设计思想和材料基础。

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