摘要
随着现代工业文明的快速发展和人类社会的不断进步，环境污染和能源问题已成为21世纪人类社会亟待解决的主要问题。光催化技术可以利用丰富的太阳能进行能源生产和环境治理，因其绿色、经济、反应条件温和、高效等优势备受关注。但半导体材料的高成本、低太阳能利用率和光生电子-空穴对易于复合等问题，阻碍了该技术的大规模应用。因此设计经济高效的光催化剂，进一步将其实际应用具有重大意义。目前，二氧化钛（TiC2）被认为是最具典型性的光催化材料，由于具有极好的稳定性、成本低、无毒等优势，在光催化CO2还原和抗菌等应用领域受到广泛研究。然而TiC2带隙较宽只能吸收紫外光，太阳能利用率、光催化效率较低，在实际应用中仍存在一定的局限性。因此开发绿色环保、经济高效的TiO2光催化材料用于CO2还原和抗菌包装具有十分重要的意义。本文以TiO2纳米线微球为基体，通过表面设计与能带调控等方式改性制备了不同TiO2光催化材料,实现了TiO2光催化效率的显著提高。进而探索了光催化CO2加氢和抗菌反应机制，以及TiC2材料组装成宏观组件后的实际应用性能，这为TiC2材料在环境和能源方面的现实应用提供了指导。主要内容包括以下两个方面: （1）通过碱水热法制备了TiO2纳米线微球，进而采取“双催化位点”策略在其表面构建了CuPt合金和TiO2-x（OH）y无序层，利用SFLP和CuPt合金对TiO2进行改性。并通过XRD、SEM、TEM、EPR、XPS、BET和DRIFTS等手段对光催化材料的结构、组成、形貌、光学性质和光催化CO2加氢机制进行研究。表征结果表明，TiO2-x（OH）y无序层和CuPt合金成功在TiO2表面构建，同时金属纳米颗粒影响了TiO2的能带结构，在负载合金后带隙明显变窄。光催化CO2加氢性能实验表明,CuPt/TiO2-x（OH）y/TiO2与TiC2-x（OH）y/TiO2、CuPt/TiC2和原始TiO2相比，在RWGS反应中活性明显提高，CO产率最高可达20mmol·g-1·h-1,CO选择性在99％以上。这可以归因于无定形的TiO2-x（OH）y可以形成有效的SFLP以增加CO2的活化，而CuPt合金有利于H2的解离以促进质子化/水化氢的形成。此外，循环实验表明CuPt/TiO2-x（OH）y/TiO2催化剂还具有良好的稳定性。本研究为进一步探索TiO2的改性策略提供了指导，是解决温室效应和能源短缺的可行途径。 （2）以TiO2纳米线微球为基体，通过一步煅烧法制备了g-C3N4修饰的TiO2复合光催化剂，利用异质结对TiO2进行改性。进一步将复合光催化剂引入到壳聚糖（CS）和聚乙烯醇（PVA）共混液中，采用相转化法制备得到g-C3N4-TiO2/CS/PVA光催化复合膜。并通过XRD、SEM、TEM和XPS等分析技术对材料的结构、组成和形貌进行表征。结果表明，g-C3N4/TiO2纳米颗粒的成功制备，并规律分布在CS/PVA膜中。还通过拉伸试验、水接触角（WCA）和水蒸气渗透率（WVP）对g-C3N4-TiO2/CS/PVA光催化复合膜的物理性能进行分析。结果说明，g-C3N4/TiO2纳米颗粒的加入降低了薄膜的亲水性和水蒸气渗透性。通过光催化抗菌保鲜实验发现g-C3N4-TiO2/CS/PVA复合膜具有较好的抗菌保鲜性能。在保鲜时间为96h时，与PE膜、CS/PVA膜、g-C3N4/CS/PVA膜和TiO2/CS/PVA膜相比，g-C3N4-TiO2/CS/PVA复合膜保鲜的草莓还保持较好的状态，无细菌侵染。这归因于g-C3N4/TiO2成功形成Z型异质结，有效提高了光生电子和空穴的分离效率，具有优异的光催化活性。此外，g-C3N4-TiO2/CS/PVA复合膜还拥有可回收再生性，并且抗菌保鲜性能基本没有变化。本研究在食品保鲜和包装方面提供了一种新的方法，节约资源且无二次污染产生，推动了光催化技术在农业领域的发展。
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