生物分級構造光催化材料的制備與性能研究.pdf

1、能源危機和環(huán)境污染是21世紀制約社會經濟可持續(xù)發(fā)展的難題之一。利用太陽能這一取之不盡用之不竭的清潔能源結合光催化技術開發(fā)可再生新能源如氫能以及開發(fā)高效、低能耗的化學污染物清除技術已成為研究者日益關注的焦點問題,并已發(fā)展成光催化分解水和光催化降解污染物這兩門涉及化學、材料、環(huán)境等領域的前沿交叉學科。當前對該領域的研究著重于從結構和組分優(yōu)化角度開發(fā)具有高光捕獲率、高催化效率的半導體光催化材料。目前的關鍵科學問題主要包括:(1)設計并開發(fā)簡單

2、通用的方法制備具有高效光捕獲率及催化效率的新型分級構造光催化材料；(2)探索并研究結構及組分因素對光催化性能的影響規(guī)律。
　　 自然界在構筑精細分級構造及利用其有效捕獲太陽能并轉變成化學能方面為我們提供了藍圖。天然樹葉將精細的構造與功能化的部件融于一身,即將光捕獲、光致電荷分離、光催化這三大功能模塊組裝成結構復雜精細的“生物機器”以高效捕獲太陽能及光激發(fā)下分解水獲得氧氣和“氫氣”,即光合作用。綠葉從宏觀、微觀到納米尺度的分級構造

3、可顯著提高光捕獲率。硅藻是一種典型的單細胞光合生物,其有序多孔微米/納米分級構造及奇特的光學行為,體現(xiàn)出獨特的光功能響應特性。細菌已進化出大量多形態(tài)多尺度多維數(shù)的個體,如球菌、桿菌、弧菌、螺旋菌、梭形細菌、方形細菌等,這將為合成相應的空心結構提供設計思路和廣闊空間。
　　 本論文緊緊抓住當前光催化領域研究的新動向,以該研究領域存在的問題為切入點,受自然界生物精細分級構造及光功能特性的啟發(fā),合成并系統(tǒng)研究了細菌形態(tài)氧化物及硫化物空

4、心結構、硅藻形態(tài)有序多孔硫化物及人工無機氧化物樹葉的制備工藝和結構、化學組分及其耦合效應對光催化性能的影響規(guī)律,主要創(chuàng)新研究結果如下:
　　 一、基于細菌多形態(tài)多尺度多維數(shù)的結構集合,成功地以細菌為模板合成細菌形態(tài)氧化物空心結構。選用球菌和桿菌為原型,采用水熱法及煅燒工藝合成細菌形態(tài)ZnO空心球,采用表面溶膠-凝膠法及煅燒工藝合成細菌形態(tài)TiO2空心球和空心管,并論證該方法作為合成多形態(tài)多尺度多材質空心結構的通用性。TiO2空心

5、結構具有明顯優(yōu)異的光捕獲特性及光解水制氫性能和光催化降解羅丹明性能。細菌模板指導下多形態(tài)多尺度多維數(shù)的空心結構集合可為進一步研究結構與光催化及光功能特性的關系提供廣闊的空間。
　　 二、基于細菌特有的生物效應,創(chuàng)造性地提出以細菌為模板結合超聲技術常溫原位一步合成形態(tài)可控、尺寸可調、壁厚可變的細菌形態(tài)硫化物空心結構的通用方法。以球菌和桿菌為例,選取典型金屬硫化物PbS和ZnS作為原型論證該方法的通用性。合成過程基于超聲波下人工礦化

6、和微生物細胞裂解兩大主要步驟。類似方法可望推廣到其他硫族化合物。ZnS和PbS空心結構具有優(yōu)異的光捕獲和光催化降解性能。
　　 三、基于硅藻精細有序多孔結構及其獨特的光學特性,以線形圓篩藻為模板,結合超聲技術可控化組裝硅藻基硫化鋅有序多孔結構。合成機理基于超聲波作用下硅藻表面Si02官能團的活化并與前驅體中自由基的強烈相互作用。該方法可望成為一種合成硅藻形態(tài)金屬硫族化合物的通用方法,并可望改變介電常數(shù)和結構周期常數(shù)以調節(jié)光學性能

7、。針對線形圓篩藻大孔套小孔精細分級雙層構造,采用時域有限差分法(FDTD)模擬初步探索了其光響應特性。該精細結構可有效反射有害的紫外及近紅外光,使利于光合作用的可見光特別是紅光和藍紫光大量穿透,是生物體自我保護、自我調節(jié)、自我適應能力的體現(xiàn)。該研究為仿生設計和制造新型光功能材料提供了啟迪。
　　 四、受樹葉分級構造及光合作用功能特性的啟發(fā),以具有分級構造樹葉為模板,提出了“人工無機氧化物樹葉”的概念及合成方法。在遺傳其宏觀、微觀

8、至納米尺度分級構造的同時,利用葉綠素內豐富氮源實現(xiàn)了典型金屬氧化物(ZnO和TiO2)氮元素的自摻雜,可高效地響應可見光。氮摻雜和分級構造耦合作用使人工樹葉具有優(yōu)異的光捕獲、光催化降解和光解水制氫性能。該研究提供了一種模擬大自然精巧構造創(chuàng)制可再生能源材料的新思路,為簡易高效制備高性能光解水制氫活性催化劑提供了新的實用途徑,同時該自摻雜技術為傳統(tǒng)摻雜技術提供了新思想。該研究為進一步設計優(yōu)化具有類樹葉精細分級構造及光功能特性的材料及器件提供