生物分級(jí)構(gòu)造光催化材料的制備與性能研究.pdf

1、能源危機(jī)和環(huán)境污染是21世紀(jì)制約社會(huì)經(jīng)濟(jì)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(jié)合光催化技術(shù)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(xué)污染物清除技術(shù)已成為研究者日益關(guān)注的焦點(diǎn)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(xué)、材料、環(huán)境等領(lǐng)域的前沿交叉學(xué)科。當(dāng)前對(duì)該領(lǐng)域的研究著重于從結(jié)構(gòu)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(dǎo)體光催化材料。目前的關(guān)鍵科學(xué)問題主要包括:(1)設(shè)計(jì)并開發(fā)簡(jiǎn)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(jí)構(gòu)造光催化材料；(2)探索并研究結(jié)構(gòu)及組分因素對(duì)光催化性能的影響規(guī)律。
　　 自然界在構(gòu)筑精細(xì)分級(jí)構(gòu)造及利用其有效捕獲太陽能并轉(zhuǎn)變成化學(xué)能方面為我們提供了藍(lán)圖。天然樹葉將精細(xì)的構(gòu)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(jié)構(gòu)復(fù)雜精細(xì)的“生物機(jī)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(jí)構(gòu)造

3、可顯著提高光捕獲率。硅藻是一種典型的單細(xì)胞光合生物,其有序多孔微米/納米分級(jí)構(gòu)造及奇特的光學(xué)行為,體現(xiàn)出獨(dú)特的光功能響應(yīng)特性。細(xì)菌已進(jìn)化出大量多形態(tài)多尺度多維數(shù)的個(gè)體,如球菌、桿菌、弧菌、螺旋菌、梭形細(xì)菌、方形細(xì)菌等,這將為合成相應(yīng)的空心結(jié)構(gòu)提供設(shè)計(jì)思路和廣闊空間。
　　 本論文緊緊抓住當(dāng)前光催化領(lǐng)域研究的新動(dòng)向,以該研究領(lǐng)域存在的問題為切入點(diǎn),受自然界生物精細(xì)分級(jí)構(gòu)造及光功能特性的啟發(fā),合成并系統(tǒng)研究了細(xì)菌形態(tài)氧化物及硫化物空

4、心結(jié)構(gòu)、硅藻形態(tài)有序多孔硫化物及人工無機(jī)氧化物樹葉的制備工藝和結(jié)構(gòu)、化學(xué)組分及其耦合效應(yīng)對(duì)光催化性能的影響規(guī)律,主要?jiǎng)?chuàng)新研究結(jié)果如下:
　　 一、基于細(xì)菌多形態(tài)多尺度多維數(shù)的結(jié)構(gòu)集合,成功地以細(xì)菌為模板合成細(xì)菌形態(tài)氧化物空心結(jié)構(gòu)。選用球菌和桿菌為原型,采用水熱法及煅燒工藝合成細(xì)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(xì)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(zhì)空心結(jié)構(gòu)的通用性。TiO2空心

5、結(jié)構(gòu)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(xì)菌模板指導(dǎo)下多形態(tài)多尺度多維數(shù)的空心結(jié)構(gòu)集合可為進(jìn)一步研究結(jié)構(gòu)與光催化及光功能特性的關(guān)系提供廣闊的空間。
　　 二、基于細(xì)菌特有的生物效應(yīng),創(chuàng)造性地提出以細(xì)菌為模板結(jié)合超聲技術(shù)常溫原位一步合成形態(tài)可控、尺寸可調(diào)、壁厚可變的細(xì)菌形態(tài)硫化物空心結(jié)構(gòu)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(xì)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(jié)構(gòu)具有優(yōu)異的光捕獲和光催化降解性能。
　　 三、基于硅藻精細(xì)有序多孔結(jié)構(gòu)及其獨(dú)特的光學(xué)特性,以線形圓篩藻為模板,結(jié)合超聲技術(shù)可控化組裝硅藻基硫化鋅有序多孔結(jié)構(gòu)。合成機(jī)理基于超聲波作用下硅藻表面Si02官能團(tuán)的活化并與前驅(qū)體中自由基的強(qiáng)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(jié)構(gòu)周期常數(shù)以調(diào)節(jié)光學(xué)性能

7、。針對(duì)線形圓篩藻大孔套小孔精細(xì)分級(jí)雙層構(gòu)造,采用時(shí)域有限差分法(FDTD)模擬初步探索了其光響應(yīng)特性。該精細(xì)結(jié)構(gòu)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(lán)紫光大量穿透,是生物體自我保護(hù)、自我調(diào)節(jié)、自我適應(yīng)能力的體現(xiàn)。該研究為仿生設(shè)計(jì)和制造新型光功能材料提供了啟迪。
　　 四、受樹葉分級(jí)構(gòu)造及光合作用功能特性的啟發(fā),以具有分級(jí)構(gòu)造樹葉為模板,提出了“人工無機(jī)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(jí)構(gòu)造的同時(shí),利用葉綠素內(nèi)豐富氮源實(shí)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(yīng)可見光。氮摻雜和分級(jí)構(gòu)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(gòu)造創(chuàng)制可再生能源材料的新思路,為簡(jiǎn)易高效制備高性能光解水制氫活性催化劑提供了新的實(shí)用途徑,同時(shí)該自摻雜技術(shù)為傳統(tǒng)摻雜技術(shù)提供了新思想。該研究為進(jìn)一步設(shè)計(jì)優(yōu)化具有類樹葉精細(xì)分級(jí)構(gòu)造及光功能特性的材料及器件提供