摘要
当今社会在能源短缺和环境污染方面有着严峻挑战，新能源尤其是太阳能的开发利用显得尤为重要。光催化能直接利用太阳能转化为化学能，在新能源开发和环境保护净化方面具有巨大优势，备受学术界和工业界关注。TiO2被认为是最具有应用潜力的半导体光催化剂，然而其光吸收仅限紫外区和光生电子空穴易复合失活等缺点限制其进一步应用。除传统的元素掺杂、表面修饰策略外，高压氢化或固相还原法构建黑TiO2也可显著增强TiO2光吸收和电子传输能力，从而提升光催化效率。再者，黑 TiO2兼具光催化功能和光热转换功能，能把光能变成化学能和热能，在太阳能开发利用方面具有双重路径。此外，由于水的导热系数大，几乎所有的光热效应产生的热被转移到反应溶液，而反应溶液温度的升高对催化剂性能的影响很少研究，因此黑TiO2光热效应对其复合结构的光催化活性、催化路径和选择性的影响还未可知。针对以上问题，本文在 TiO2异质结构基础上构建黑 TiO2复合结构，对比研究其光催化和光热催化性能，探索其在有机污染物降解和二氧化碳还原的应用，主要分为以下三个方面： 1． WO3/TiO2 2D/1D异质结光催化剂的可控构建及其光催化性能。本文通过把一维TiO2纳米带引入到二维WO3纳米片合成体系中，实现了WO3纳米片在TiO2纳米带表面的垂直阵列生长，构建了 WO3/TiO2 2D/1D 异质结构。生长密度可通过调节前驱体的浓度精确控制。WO3/TiO2异质结的构建不仅将带隙能量从3.12 eV 降低到 2.30 eV，并把光响应范围从紫外光区域拓宽到可见光区域，且显著降低了电子-空穴对复合几率，增强了光生载流子分离效率。光催化性能测试表明，在可见光照射下，与纯WO3纳米片和TiO2纳米带相比，WO3/TiO2异质结构表现出改进的光催化活性。其中，WO3/TiO2-25具有最高的光催化活性，在120 min 内可去除 92.8%的 RhB 污染物，有望用于印染废水净化领域。 2. 氢化法制备 WO3/黑 TiO2复合结构及其光催化和光热协同催化性能。本文通过常压高温氢气还原工艺，把 WO3/TiO2 2D/1D 异质结构原位转化成 WO3/黑TiO2复合结构。SEM、TEM测试表明氢化过程未破坏产物的2D/1D异质结构特征，HRTEM、XPS和EPR测试证明产物中存在氧空位、三价钛和五价钨，固态荧光、光电流测试证实 WO3/黑 TiO2复合结构的光生电子-空穴分离效率显著强于纯WO3、纯 TiO2、WO3/TiO2 2D/1D 异质结构，并且 WO3/黑 TiO2复合结构表现出优异的光热效应，在 2 min 可达 69.1℃。光催化 CO2还原实验测试表明， BWT-10 具有最高的光催化活性。CO 产率为 275.6 μmol·g-1·h-1，是纯TiO2的 2.55倍。受益于黑TiO2的光热转换优势，BWT-10 光热协同催化还原CO2性能远优于热催化和纯光催化还原性能，BWT-10光热协同催化CO2还原为CO的生成率为 409.33 μmol·g-1·h-1，分别是热催化和纯光催化的 29 倍和 1.4 倍。本研究基于光热转换材料提升光催化性能的思路为高性能太阳能利用系统设计开发提供一种行之有效的策略。 3. SnS2@TiO2 2D/1D 异质结光催化剂的可控构建及其光催化性能。本文通过把一维 TiO2纳米带引入到二维 SnS2纳米片合成体系中，实现了 SnS2纳米片在TiO2纳米带表面的垂直生长，构建了 SnS2@TiO2 2D/1D 异质结构。生长密度可通过调节前驱体的浓度精确控制。SnS2@TiO2异质结的构建不仅将带隙能量从3.2 降低到 2.14 eV，并把光响应范围从紫外光区域拓宽到可见光区域，且显著降低了电子-空穴对复合几率，增强了光生载流子分离效率。光催化性能测试表明，在光照射下，与 TiO2纳米带相比，SnS2@TiO2异质结构表现出改进的光催化活性。其中，SnS2@TiO2-4 具有最高的光催化活性，在 120 min 内可去除 87.2%的MB污染物。有望在污水处理方面应用。 这种合理设计的复合结构为黑二氧化钛复合材料的太阳能收集、染料降解及相关技术提供了一种新的策略，为黑二氧化钛材料的光热协同效应在光热转换中的合成策略提供了新的思路。
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