高性能半导体光催化材料制备与微结构调控

1、2014 年度国家科技奖推荐项目简介拟推荐奖种： 自然科学奖项目名称： 高性能半导体光催化材料制备与微结构调控主要完成人： 余家国、余火根、程蓓、刘升卫、赵修建项目简介：本项目属于材料的组织、结构、缺陷与性能学科。半导体 TiO2 光催化技术具有解决环境污染和能源短缺问题的潜在能力，是 当前国际材料、环境和能源等领域的研究前沿和热点，高性能TiO2 光催化材料的制备一直是该领域的难点，国际上将如何增强TiO2 的光催化性能和拓展其可见光响应范围列为两大亟待解决的关键科学问题， 本项目在国家自然科学基金等 项目的持续支持下，围绕光催化材料的制备、组成、结构与性能的关系，开展了 系统深入的研究工作

2、，在高性能 TiO2 的制备、微结构调控、性能增强和新型光 催化材料探索等方面的研究中取得了若干创新性研究成果， 形成了自己的研究特 色，其主要科学发现如下：1 提出了两种纳米复合异质结增强光催化性能的理论模型， 一是多相光生载 流子转移分离的理论模型，发现当制备的 TiO2 薄膜由锐钛矿、金红石、板钛矿、 银多相组成时，这种 Ag-TiO2 多相复合薄膜的光催化性能显著增强，其光催化活 性为纯 TiO2 薄膜的 6.3 倍；二是吸附中心和光催化活性中心分离和协同作用增 强光催化材料活性和稳定性的理论模型。2 发展了一种制备 TiO2、CuO/Cu2O 等无机空心微球光催化材料的新方法化 学诱

3、导自转变方法，该方法主要原理是基于无机非晶态固体微球的原位溶解 - 再 晶化和局部 Ostwald 熟化机理。3 研究发现分级多孔结构可以显著增强 TiO2 对光的吸收和光催化性能，确 立了分级多孔TiO2的形成机理，揭示了孔结构对 TiO2光催化性能的影响规律， 率先实现了在纯水中不需要任何模板和添加剂， 通过调控钛酸丁酯水解中的自组 装过程也可以自发形成分级大孔介孔多孔结构TiO2,煅烧后的这类材料显示出特别高的光催化活性，其光催化活性是国际标准光催化剂P-25的2倍多。4提出了两种基于界面电荷转移增强TiO2可见光光催化活性的理论模型，过渡金属 Fe 离子修饰模型和表面等离子体电荷转移模

4、型。项目构建了光催化材料制备、 结构与性能间的关系， 实现了从材料制备和微 结构调控入手增强宏观光催化性能， 发展了新的材料制备方法和材料体系， 制备 出多种高效稳定的光催化材料， 提出了若干理论模型解释其机理， 推进了国际光 催化材料的研究与应用化进程。项目在 JACS等多种国际著名期刊上发表SCI论 文 187 篇，获授权发明专利 12 项，研究成果受到国际国内同行的广泛关注，论 文多次被他人正面引用， 20 篇核心论文被 Chem Rev (IF 41.3) 、 Nature Nanotech(31.2)等SCI期刊他引3948次，8篇代表论文SCI他引1927次，单篇最高SCI他引41

5、1次，包括TiO2光催化创始人Fujishima教授、美国科学院院 士原JACS主编Bard教授、染料敏化太阳能电池的发明者 Gratzel教授等多位 本领域国际权威学者，对项目相关工作给予了充分肯定和高度评价。项目第 一完成人余家国入选 2012年度全球最热门研究人员21人名单，项目获得了2009年和2013年度湖北省自然科学一等奖。8篇代表性论文（专著）名称及作者:序影响年卷发通讯第一是否论文专著名称/页码表国内号刊名/作者因子时作者作者间完成1Fabrication and characterization of Ag-TiO 2 multiphase nan ocomposite th

6、i n films with5.82505年60卷05年10月YU JGYU JG是enhanced photocatalytic activity / Appl. Catal. B-E nviron / Yu JG , Xio ng JF, Che ng B, Liu SW211页3日余家国余家国The effect of calc in ati on temperature on the surface microstructure and photocatalytic activity03年03年YU JGYu JG是2of TiO2 thin films prepared by liq

7、uid phase3.607107卷12月余家国余家国deposition / J. Phys. Chem. B / Yu JG, Yu HG,13871页18日Che ng B, Zhao XJ, Yu JC, Ho WKTun able Photocatalytic Selectivity of Hollow10年 132卷 11914页10年9月1日3TiO 2 Microspheres Composed of An atase Polyhedra with Exposed 001 Facets / J. Am.10.677YU JG余家国Liu SW 刘升卫是Chem. Soc / L

8、iu SW, Yu JG, Jaro niec MTemplate-free hydrothermal syn thesis of07年07年YU JGYu HG是4CuO/Cu 2O composite hollow microspheres /8.23819卷8月余家国余火根Chem. Mater. / Yu HG, Yu JG, Liu SW, Mann S4327 页21日Effects of acidic and basic hydrolysis catalysts on the photocatalytic activity and microstructures of03年03年

9、YU JCYU JG是5bimodal mesoporous titania / J. Catal. / Y u JG, Yu1 5.787217卷7月余济美余家国JC, Leu ng MKP, Ho WK, Che ng B, Zhao XJ,69页1日Zhao JCTemplate-free fabricati on and enhan ced07年07年6photocatalytic activity of hierarchical9.76517卷8月 13日YU JGYU JG是macro-/mesoporous tita nia / Adv. Funct. Mater /1984 页

10、余家国余家国Yu JG, Su YR, Che ng BPreparati on, characterizati on andvisible-light-driven photocatalytic activity of09 年 9009年YU JGYU JG是7Fe-doped tita nia nano rods and first-pri nciples5.825卷5958月余家国余家国study for electr onic structures / Appl. Catal.页17日B-E nviron / Yu JG , Xia ng QJ, Zhou MHFabrication and Characterization of09年113卷09年9月8