光 催 化

  本课题组从2000年开始光催化研究,主要特色是基于超临界技术、超声波、醇解法、EISA、溶剂热及喷雾干燥辅助表面活性剂自组装等进行新型TiO2光催化剂的制备和修饰,其优点是能够彻底去除催化剂前躯体中的残留有机物;有效抑制干燥过程中的孔道塌陷;催化剂即使未经高温焙烧就具有良好的结晶度,同时适合于低温镀膜。在催化剂制备方面取得的研究进展:
(1)采用传统Sol-gel方法制备TiO2前躯体,用超临界干燥替代直接加热,能够有效抑制孔道塌陷,制备成功多孔大比表面TiO2光催化剂,对TiO2进行掺杂修饰,成功制备了S-、N-、F-修饰的高锐钛矿结晶度TiO2可见光光催化剂(如图1),能够保证修饰剂绝大部分进入TiO2骨架,光催化效率显著提高,研究论文分别在Environ. Sci. Technol.、J. Phys. Chem.J. Mol. Catal.发表或被录用。

 

图1 超临界合成N-修饰TiO2可见光催化剂的TEM形貌和XRD图谱

(2)采用喷雾干燥辅助表面活性剂自组装制备TiO2前躯体,再经过超临界萃取干燥,制备出具有二维、三维、层状纳米介孔结构的高结晶度TiO2光催化剂,通过掺杂金属离子Bi、V、Nb和In等,不仅能够实现可见光下的光催化反应,而且可显著提高催化剂的热稳定性(如图2),论文分别被Catal. Commun.Stud. Surf. Sci. Catal.发表或录用,同时制备具有单晶结构的介孔TiOF2可见光催化剂 (见图3),该论文已投Adv. Mater.(审稿中)。

图图2 Bi(III)-修饰TiO2可见光催化剂的TEM形貌和广角及小角XRD图谱

图3 喷雾干燥辅助表面活性剂自组装合成TiOF2可见光催化剂的SEM、TEM和SAED形貌

(3) 采用醇解辅助表面活性剂自组装,结合溶剂热技术,低温合成出具有高结晶度大表面的TiO2光催化剂以及镶嵌于孔壁中Au纳米颗粒修饰的TiO2光催化剂(见图4),论文已经被J. Am. Chem. Soc.和Appl. Catal. B.录用。同时采用醇解法并结合溶剂热法,合成出具有纳米介孔结构的核壳型TiO2光催化剂(见图5),论文已投J. Am. Chem. Soc.(审稿中)
(4) 采用EISA技术,在不含表面活性剂的情况下,合成出具有纳米介孔结构高结晶度的TiO2膜光催化剂(如图6),其活性是P25的7倍,且具有良好的热稳定性和机械稳定性,论文已经被Catal. Commun.录用,为低温镀膜提供了一条有效途径。

 

图4 Au/TiO2光催化剂的TEM形貌和SAED图像 

 

图5 醇解法制备核壳结构TiO2的SEM和TEM形貌

图6 EISA技术制备的TiO2膜光催化剂的形貌及XRD图谱

  在光催化应用方面:(1)本课题组与上海玉垒环境生物技术有限公司合作,采用所制备的光催化剂和絮凝剂并结合生物技术,在上海市古镇七宝小河、苏州河等景观水的污染治理中取得了良好效果,同时与中国水产科学研究所合作,利用光催化降解有机胺氮和硫,应用于鱼塘水净化以及景观区尿液的除臭,获上海市科技攻关项目,取得了良好的效果,TiO2膜催化剂在净化污染空气中也显示良好的催化活性;(2) 采用上述技术并结合表面嫁接技术,成功制备多孔大比表面的Ag(0)-La(III)配合物/SiO2-TiO2抗菌剂,该抗菌剂兼有无机和有机抗菌剂的优点,同时具有光催化辅助杀菌能力,获上海市科委-联合利华奖励基金,试验应用于抗菌涂料,论文在Mater. Lett.化学学报发表;(3)利用光催化辅助氧化,制备可降解地膜,获得上海市纳米专项基金。
   在理论研究方面,通过大量表征(XRD、TEM、SEM、XPS、EPR、Raman、UV-DRS、PLS、BET、固体NMR、DSC/TG/DTA等),结合催化性能评价和动力学研究,对光催化反应机理和光催化剂的构效关系进行深入讨论,从分子水平探索光敏化机理、光催化量子效率以及结构、形貌、修饰剂等的促进作用。
   除上述工作外,还参加了我校王则民教授主持的稀土纳米转光粉的研究,耐候光转换无滴农膜先后在2000年和2001年获得上海市科技进步一等奖和国家科技进步二等奖。
   我们在光催化研究方面的主要成果是引进超临界、喷雾干燥等技术应用于新型光催化剂的制备和修饰并开展构效关系的研究,受到了国内外的关注,知名专家Fujishima、赵进才、付贤智、李庆霖、孙铁珩、余济美等先后来我校指导工作,本人自2005年起担任全国光催化专业委员会副主任、上海市太阳能学会副理事长兼光催化专业委员会主任,2004年在兰州举行的全国光催化会议上作大会邀请报告,2005年在上海师范大学主持召开全国光催化研讨会,2006年11月,在广州经投票表决,决定由我们承办2008年全国光催化学术会议。我们报道的超临界技术应用于光催化剂的制备被香港中文大学、复旦大学等单位采用,Environ. Sci. Technol.的审稿意见“I believe this article will be of great interest to both the catalysis community.Similarly, its application will be of interest to environmental scientist”.

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