科创中国

生物产业,制造业

本项目以光化学合成为基础，以材料在环境领域的应用为牵引，以典型的金属、半导体、氧化物及聚合物为代表，开展环境功能材料微/纳结构与器件的构筑及其在光催化、金属离子吸附与环境气体检测方面的应用等的研究。围绕材料形成的光化学反应机理、结构控制及结构性能关系三个关键科学问题进行深入系统的探讨，取得了以下三方面的创新性成果：1．模板诱导光化学构筑有序多孔薄膜与气体传感器。首次将二维胶体模板与光化学合成技术结合在一起，将柔性的由紧密排列的聚合物微球组成的二维胶体晶体作为模板引入到溶液表面组成气液固界面，凭借气液界面的衬底作用和气液固界面的诱导成核作用通过光化学反应构筑了可自由转移的单层有序大孔结构薄膜和气体传感器件。实现了贵金属金、金属/半导体复合材料Cd/CdS、氧化物SnO2以及SnO2 /氧化石墨烯有序多孔薄膜的构筑；实现了有序多孔薄膜的器件化，在商业用陶瓷衬底上构筑了SnO2和SnO2/氧化石墨烯单层有序多孔薄膜气体传感器，进一步将有序多孔薄膜用作了可漂浮的光催化剂，将传感器用于环境气体检测。揭示了各种材料及其结构形成的新的光化学反应原理、有序多孔薄膜中结构与成分影响光催化活性的机制、器件中表面孔结构导致的气体响应原理以及氧化石墨烯半导体异质作用原理。解决了光化学合成材料的有序结构化、有序多孔薄膜的可转移与自由操作、单层有序多孔薄膜的器件化以及石墨烯类材料的三维有序结构化等技术问题。2．气液界面直接构筑纳米结构光催化材料。提出了结合紫外光诱导的光化学反应和空气溶液界面诱导的化学反应构筑纳米结构材料的理念，在气液界面，即，溶液表面，构筑纳米结构材料。国际上首次实现了无模板、无表面活性剂构筑CdS纳米管和SnO2纳米多孔结构以及表面活性剂诱导的SnO2纳米管阵列，发现了材料光化学合成中的光生电子对氧化还原电位低于H+的金属离子的还原作用以及界面化学反应在结构形成中的决定作用，提出了CdS纳米管形成的成分诱导纳米片弯曲机制、多孔纳米SnO2与SnO2纳米管阵列形成的化学反应蚀刻机制以及SnO2纳米多孔材料的酸度调控比表面积机制。光化学合成的材料首次被应用于了光催化领域，发现光化学合成的纳米结构材料表现出优异的光催化活性，揭示了结构、成分、表面功能集团影响光催化性能的原理。3. 室温、常压绿色溶剂中光化学合成聚合物球及微球表面（固液界面）光化学构筑半导体结构。发展了新的光引发聚合方法，在乙醇/水溶剂、密闭体系中室温、常压（无真空）合成单分散的聚合物微球，方法具有普适性，可适用于均聚微球和共聚微球；粒径可在一定范围内调控；表面功能集团可进行规律的调节，并可通过光化学方法进行金属离子印迹位点的构筑，推动了聚合物微球材料的绿色合成。合成的聚合物微球被应用于金属离子的吸附，通过表面功能集团的调节实现了吸附性能的调控。进一步，基于聚合物微球模板或支撑体，提出了光化学方法构筑光催化半导体空心球和微尺度下微球表面固定光催化半导体纳米颗粒的理念以提高光催化材料的活性和可回收性，实现了CdS空心微球和CdS纳米颗粒在微球表面的固定与组装，发现了CdS空心微球优异的可见光光催化性能、微球固定的CdS纳米颗粒的突出的光催化性能与可回收性以及微球表面功能集团对光催化性能的促进作用，提出了表面功能集团中孤对电子促进光生载流子的光催化机制。 上述工作不仅为光化学合成向结构化发展提供了依据和材料基础，而且为微/纳结构环境功能材料的绿色合成与器件化开辟了新的途径并提供了理论基础。在Angewandte Chemie、Applied Catalysis B、ACS Applied Materials & Interfaces、Journal of Materials Chemistry、Science Reports等期刊发表论文25篇，SCI收录13篇，其中影响因子大于***的一篇，***之间7篇；SCI他引200多次；授权国家发明专利6件。