【学术聚焦】2022年第7期：邓波教授在新型高效SiO2@TiO2核壳可见光催化剂方面取得重要研究进展

注重科研的武汉纺织大学 2023-10-20

2022年3月9日，我校邓波教授（材料学院/纺织新材料与先进加工技术国家重点实验室）的研究成果以“Amorphous TiO₂beats P25 in visible light photo-catalytic performance due to both total-internal-reflection boosted solar photothermal conversion and negative temperature coefficient of the forbidden bandwidth”为题，在线发表于Applied Catalysis B:Environmental上，文章DOI：https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2022.121299。武汉纺织大学为该文章第一署名单位，第一通讯作者为材料学院邓波教授，省部共建纺织新材料与先进加工技术国家重点实验室培养的博士研究生杨辉宇为第一作者。该研究成果得到了国家自然科学基金委项目的资助。《AppliedCatalysisB:Environment》侧重最新催化技术在环境中的应用，是该领域国际顶级期刊，发表的论文不仅要对催化领域有重要的理论指导意义，还要具有很高的应用价值，同时还要能引起广泛的科学兴趣。TiO₂作为一种性能优异的半导体光催化剂，在太阳光的辐射作用下可以实现废水处理、空气净化、杀菌消毒和医疗防护等领域的广泛应用。优异的光化学稳定性、反应活性以及无二次污染是TiO₂在环境治理领域可持续发展的重要体现，也是当前高效节能和环保应用前景最为广阔的纳米功能材料。TiO₂的结构主要包含结晶型和无定型两种。其中，结晶型TiO₂（金红石和锐钛矿）在光激发下呈现出较高的催化活性，但工业制备复杂，排放废弃物多，晶型转变需长时高温（＞500^oC）煅烧，能耗高。相比结晶型TiO₂，无定形TiO₂由于结构缺陷导致催化活性差，但制备能耗低且工艺简单。根据经典物理学理论，大多数半导体的禁带宽度与温度呈现负相关性，即禁带宽度随温度升高而下降。因此，作者首次充分利用太阳能转化为热能，通过简单改性使无定形TiO₂形成类似“鸡蛋”保温结构的SiO₂@TiO₂核壳催化剂，利用光热转换效率实现对禁带宽度的调控，从而在室温可见光下具有高催化活性。

图1. SiO₂@TiO₂-n可见光催化剂的光热转换增强机制

SiO₂@TiO₂核壳催化剂的“蛋壳”TiO₂是通过原子层沉积进行制备，所沉积的壳层具有高度致密性、均匀性，从而使入射光进入“鸡蛋”内部后，光在“蛋清”处发生全反射作用而被大部分吸收转换成热，该过程类似“温室效应”。“蛋壳”TiO₂的折射率高于“蛋黄”SiO₂，且无定形相的各向同性保证了“鸡蛋”结构内部全反射的可行性。通过沉积不同厚度的“蛋壳”TiO₂，提高催化剂对全反射光的光热转换效率，增强光化学活性。并以难降解高毒17β-雌二醇为模型污染物验证了不同“蛋壳”厚度的SiO₂@TiO₂核壳催化剂的实际催化效果。结果表明，“蛋壳”TiO₂的厚度约32nm时，SiO₂@TiO₂核壳催化剂在可见光下的催化降解速率和去除率分别为商用P25（锐钛矿占比80%，金红石占比20%）的2.9倍和1.5倍。同时核壳结构催化剂的最优尺寸约540nm，使其保留高催化活性的同时，可低速离心（500rpm）简单回收，避免了常规纳米催化剂难以回收而产生的二次污染和毒害。