植物的光合作用是地球生态系统最重要的化学反应之一。模仿光合作用原理，储存太阳能，开发高效的太阳光响应型光催化剂，迫在眉睫。开发新型光催化材料、材料纳米化与形貌调控，实现污染物的快速净化，以及光解水和光抗菌等，最终实现材料的器件化，节能减排，改善环境。  

　　

　　一、研究内容 

　　纳米TiO₂作为重要的新能源和环境保护材料，在光催化、太阳能发电、太阳能集热等方面被广泛应用。然而，TiO₂的太阳能利用面临巨大的挑战，主要原因在于光吸收范围窄、电子-空穴对的分离效率低。TiO₂只能吸收太阳光谱中~5%的紫外光，而无法利用可见光和近红外光的能量；本征电导率只有~10^-10 S/cm，不利于光生电子-空穴对的分离和传输。这些问题严重影响了TiO₂在能源与环境领域的广泛应用，无法充分利用太阳能。基于热力学原理的制备调控，本课题组原创地发展出多种新型制备方法，合成出<结晶核@非晶壳>复合结构的纳米黑色二氧化钛，大幅提高了太阳光谱中可见光和近红外光的吸收，该类材料展现出极其优异的光催化降解污染物和光催化分解水制氢性能。 

　　研究高质量黑色氧化钛材料的大量可控制备及机理，跨尺度构建兼具微孔-介孔结构的高比表面积、高导电性、电磁可调、阻抗匹配的高性能纳/微结构黑钛宏观体材料，探明界面复合、结构缺陷、纳/微结构等的关键影响因素，研究黑色氧化钛的元素掺杂、宽频谱响应和光电转换，建立黑钛的分级结构参数、结构缺陷与性能之间的内在关联性质。同时，发展通过黑色二氧化钛表界面结构调控提高催化特性的新方法，研究黑色氧化钛对城市污染物VOCs、NO_x等催化消除的新途径。 

　　石墨烯是物理、化学和材料学领域一颗冉冉升起的新星，其由单层碳原子组成的六方蜂巢状二维结构，表现出独特的电子输运、光学耦合、电磁学、热学和力学等新奇的性质。石墨烯具有高达2600 m²/g的比表面积和优异的化学稳定性。课题组拟利用石墨烯的高比表面积和稳定性，探索其在环境净化如重金属离子吸附、PM2.5防护、油水分离及杀菌等领域的潜在应用。 

　　具体研究内容包括： 

• 光催化及光降解 

1. 高质量黑色二氧化钛宏量制备及机理研究 
2. 黑色二氧化钛光催化分解水制氢 
3. 黑色二氧化钛光催化降解污染物 

• 石墨烯环境净化 

1. 重金属离子吸附 
2. PM2.5防护 
3. 石墨烯在防腐、油漆领域的应用 

　　二、代表成果

　　1. 光催化 

　　铝还原法制备的黑色氧化钛可提高太阳能宽谱吸收（Energy Environ. Sci. 2013, 6, 3007）

 

　　硫掺杂可增强黑色锐钛矿二氧化钛的光吸收能力（J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 17831） 

 

非金属掺杂可有效提升黑色氧化钛对太阳能的利用（Energy Environ. Sci. 2014, 7, 967）

　　

不同颜色的二氧化钛粉体

　　2. 石墨烯环境净化 

石墨烯产品

　　三维多孔石墨烯

　

新型多孔石墨烯具有优良的吸油能力（Adv. Mater. 2015, 27, 5943） 

 

石墨烯涂料具有优良的防腐能力