新型鉍系半導體調控塑化劑太陽光催化降解路徑的研究

《新型鉍系半導體調控塑化劑太陽光催化降解路徑的研究》是依託華中師範大學，由余穎擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：新型鉍系半導體調控塑化劑太陽光催化降解路徑的研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：余穎
• 依託單位：華中師範大學

項目摘要

塑化劑作為環境內分泌干擾物因對人體存在有害作用而成為急需處理的污染物，其環境友好降解是環境化學的重要研究方向。該類污染物在降解過程中因光催化體系產生的氧化性物種不同，導致其降解中間產物的結構和毒性不同，而不同氧化性物種的產生又與光催化劑的電子和能帶結構有關係。本申請項目在前期工作的基礎上，提出通過層狀鉍系半導體結構的調控來光生不同種類的氧化性自由基、從而進攻塑化劑不同基團、控制其降解中間產物結構（降解路徑）、並實現該類污染物無毒性、快速礦化的環境友好降解新思路。為此，我們將深入探索塑化劑在不同結構鉍系半導體光催化體系中的降解路徑及其界面吸附的影響，從理論和實驗角度來研究新型鉍系半導體材料的設計、製備和結構調控，詮釋新型鉍系半導體結構與塑化劑光催化降解路徑的關係規律，實現該類半導體調控塑化劑光催化的降解路徑，最終使不同結構塑化劑能夠在太陽光下環境友好地降解，為該類污染物的治理提供理論依據。

結題摘要

利用太陽光來降解內分泌干擾物——塑化劑的關鍵是光催化劑，其中鉍系半導體材料因其層狀結構和帶隙很容易被調控而具有較好的活性，但是相關材料暴露晶面、內部結構等因素對其活性的影響規律還不是非常清晰，有待於進一步探索。此外，由於能源危機，光催化和電催化材料在分解水制氫、還原CO2為燃料等方面的套用研究也成為國際熱點，其中高效、廉價新型催化材料的研製是未來清潔能源利用的基礎。鑒於上述背景，本項目所從事的相關研究工作包括：（1）研究了Bi3O4Cl不同暴露晶面對該材料活性的影響規律，探索了不同暴露晶面BiOCl實現碳摻雜的規律，研究了碳均相摻雜Bi3O4Cl層狀結構材料來調控其內部電場以增強該材料的分解水產氧性能，製備並研究了單層Bi12O17Cl2@單層MoS2複合納米片光催化制氫的性能。研究發現不同暴露晶面的鹵氧鉍光催化材料確實具有不同的降解污染物活性，而且還會導致碳摻雜的不同類型——均相摻雜和表面摻雜，從而調控該類層狀材料的內建電場，使光催化性能有很大區別，同時單層Bi12O17Cl2@單層MoS2複合納米片因能調控光生電子和空穴的定向移動而使其光催化性能大幅度提高。（2）以金屬銅及其氧化物為基礎，研究了Cu2O半導體光催化還原CO2為甲烷的活性及其性能的增強，提出了用碳包覆的簡單方法來解決其穩定性問題；嘗試了將Cu納米線作為襯底沉積含有Ni、Co、Fe等金屬的層狀雙金屬氫氧化物（LDH）用於電催化分解水產氫。結果表明Cu2O具有光催化還原CO2為甲烷的活性，而且與TiO2複合之後活性更高，但是穩定性很差，在表面包覆幾個納米厚的碳層可使Cu2O光催化穩定性的大幅度提升，導致該材料還原CO2為甲烷的優勢充分發揮；由於Cu納米線作為襯底與沉積在其表面暴露邊緣的NiFe、NiCo LDH納米片形成的核殼包覆結構，導致該類催化電極電催化分解水具有優異的性能，特別是Cu納米線@NiFe LDH納米片複合電極能在大電流下(≥100 mA/cm2)獲得世界上目前最低的過電池。上述研究結果發表在了Energy Environ. Sci.、Environ. Sci. Technol.等國際權威刊物上，將為新型高效光催化劑和電催化劑的製備及其在環境治理和能源轉換方面的套用提供理論依據。