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瞄准国家战略需求,化学所在功能纳米材料领域取得一系列研究成果
2005-04-21 | 编辑:clone | 【 】【打印】【关闭

在国家自然科学基金委,科技部以及中科院的支持下,化学所分子纳米结构与纳米技术院重点实验室白春礼院士和万立骏研究员领导的课题组,在纳米功能材料研究领域取得一系列进展,他们以环境和能源需求为研究背景,继在燃料电池催化剂研究方面,利用简单、低能耗的方法开发出高效的金属纳米空心球催化剂之后(Angew. Chem. Int. Ed. 2004, Vol 43, No. 12, 1540-1543),又在半导体光催化剂研究领域取得新成果。

与有机污染物和有毒水污染物相关的环境问题一直是环境保护及环境恢复领域备受关注的课题。半导体光催化剂具有高效率和潜在的广泛应用性,成为能从环境中降解并除去有毒化学污染物的最有效途径之一。因此,采用简单且经济有效的方法制备高表面积的半导体光催化剂,提高其催化活性和工业应用性是当前的研究热点之一。

该课题组一直致力于开发和制备具有新颖结构和优异性能的半导体纳米材料的研究工作。已经利用简单的一步溶液相界面组装技术制备出半导体复合(TiO2/CdS)纳米空心球材料(J. Phys. Chem. B 2004, Vol 108, No. 28, 9734-973,并且基于模板合成技术,成功地制备出TiO2半导体及其与金属或半导体复合(TiO2/AuTiO2/CdS)的纳米管阵列材料(Adv. Func. Mater. 2005, Vol 15, No. 2, 196-202。这些材料具有优异的光学性质,有望在光电材料和光催化领域具有新的应用。

最近,该课题组又在新型半导体纳米材料光催化剂领域取得了重要的研究成果,发展了一种利用自组装技术制备具有高表面积的半导体ZnS光催化剂的方法。所制备的ZnS材料是一种直径约为60纳米的具有多孔的纳米颗粒结构,每个纳米颗粒由许多个直径仅为35纳米的粒子构筑单元自组装而成,具有纳米级孔道的结构(1)。这种由几纳米的粒子构成的纳米孔颗粒在光催化领域具有许多优点。例如,1) 具有很高的比表面积,可以达到150 g/m2的量级;2)具有很高光催化活性,实验表明这种新颖结构的ZnS材料对模型系统—染料曙红(四溴萤光素,一种有机染料)的光降解—表现出比纳米晶材料和商用二氧化钛纳米颗粒更高的光催化活性(2)3) 催化基元是尺寸量子化的纳米晶,具有高的氧化还原电势,提高了光催化反应的速度;4) 既有效地防止了尺寸量子化的纳米晶的进一步聚集,又比纳米晶更容易分离和回收;5) 具有良好的分散性,在反应过程中不需要搅拌,降低了能耗。6)制备方法简单、经济,可以大规模地合成。

ZnS半导体光催化剂不仅可以用于有机污染物的降解,而且可以用于诸如从水中制氢、CO2的光还原、有机光合成、醛及衍生物的光还原、卤代苯脱卤,以及水中有毒重金属离子的光还原等的许多光催化领域。该研究为高表面积和高活性光催化剂的制备及其在光催化领域的应用开辟了新思路和方法,研究成果已发表在近期的国际权威杂志德国《应用化学》Angew. Chem. Int. Ed. 2005, Vol 44, No. 8, 1296-1273上。

 

1 多孔ZnS纳米颗粒的电镜照片及光催化实验照片

2 多孔ZnS纳米颗粒(g)ZnS纳米晶(f)及商业二氧化钛(e)对染料曙红的光降解曲线

 

分子纳米结构与纳米技术院重点实验室

 

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