2022年3月9日，武漢紡織大學(xué)鄧波教授（材料學(xué)院/紡織新材料與先進(jìn)加工技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）的研究成果以“Amorphous TiO2 beats 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”為題，在線發(fā)表于Applied Catalysis B: Environmental（IF=19.503）上，文章DOI：https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2022.121299。武漢紡織大學(xué)為該文章署名單位，通訊作者為材料學(xué)院鄧波教授，省部共建紡織新材料與先進(jìn)加工技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)的博士研究生楊輝宇為作者。該研究成果得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委項(xiàng)目的資助。

《Applied Catalysis B: Environment》側(cè)重新催化技術(shù)在環(huán)境中的應(yīng)用，是該領(lǐng)域國(guó)際頂級(jí)期刊，發(fā)表的論文不僅要對(duì)催化領(lǐng)域有重要的理論指導(dǎo)意義，還要具有很高的應(yīng)用價(jià)值，同時(shí)還要能引起廣泛的科學(xué)興趣。

TiO2作為一種性能優(yōu)異的半導(dǎo)體光催化劑，在太陽(yáng)光的輻射作用下可以實(shí)現(xiàn)廢水處理、空氣凈化、殺菌消毒和醫(yī)療防護(hù)等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。優(yōu)異的光化學(xué)穩(wěn)定性、反應(yīng)活性以及無(wú)二次污染是TiO2在環(huán)境治理領(lǐng)域可持續(xù)發(fā)展的重要體現(xiàn)，也是當(dāng)前高效節(jié)能和環(huán)保應(yīng)用前景為廣闊的納米功能材料。

TiO2的結(jié)構(gòu)主要包含結(jié)晶型和無(wú)定型兩種。其中，結(jié)晶型TiO2（金紅石和銳鈦礦）在光激發(fā)下呈現(xiàn)出較高的催化活性，但工業(yè)制備復(fù)雜，排放廢棄物多，晶型轉(zhuǎn)變需長(zhǎng)時(shí)高溫（＞500 oC）煅燒，能耗高。相比結(jié)晶型TiO2，無(wú)定形TiO2由于結(jié)構(gòu)缺陷導(dǎo)致催化活性差，但制備能耗低且工藝簡(jiǎn)單。根據(jù)經(jīng)典物理學(xué)理論，大多數(shù)半導(dǎo)體的禁帶寬度與溫度呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)性，即禁帶寬度隨溫度升高而下降。因此，作者首次充分利用太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為熱能，通過(guò)簡(jiǎn)單改性使無(wú)定形TiO2形成類(lèi)似“雞蛋”保溫結(jié)構(gòu)的SiO2@TiO2核殼催化劑，利用光熱轉(zhuǎn)換效率實(shí)現(xiàn)對(duì)禁帶寬度的調(diào)控，從而在室溫可見(jiàn)光下具有高催化活性。                           

圖1. SiO2@TiO2-n 可見(jiàn)光催化劑的光熱轉(zhuǎn)換增強(qiáng)機(jī)制。

SiO2@TiO2核殼催化劑的“蛋殼”TiO2是通過(guò)原子層沉積進(jìn)行制備，所沉積的殼層具有高度致密性、均勻性，從而使入射光進(jìn)入“雞蛋”內(nèi)部后，光在“蛋清”處發(fā)生全反射作用而被大部分吸收轉(zhuǎn)換成熱，該過(guò)程類(lèi)似“溫室效應(yīng)”。“蛋殼”TiO2的折射率高于“蛋黃”SiO2，且無(wú)定形相的各向同性保證了“雞蛋”結(jié)構(gòu)內(nèi)部全反射的可行性。通過(guò)沉積不同厚度的“蛋殼”TiO2，提高催化劑對(duì)全反射光的光熱轉(zhuǎn)換效率，增強(qiáng)光化學(xué)活性。并以難降解高毒17β-雌二醇為模型污染物驗(yàn)證了不同“蛋殼”厚度的SiO2@TiO2核殼催化劑的實(shí)際催化效果。結(jié)果表明，“蛋殼”TiO2的厚度約32 nm時(shí)，SiO2@TiO2核殼催化劑在可見(jiàn)光下的催化降解速率和去除率分別為商用P25（銳鈦礦占比80 %，金紅石占比20%）的2.9倍和1.5倍。同時(shí)核殼結(jié)構(gòu)催化劑的優(yōu)尺寸約540 nm，使其保留高催化活性的同時(shí)，可低速離心（500 rpm）簡(jiǎn)單回收，避免了常規(guī)納米催化劑難以回收而產(chǎn)生的二次污染和毒害。

圖2. SiO2@TiO2-n的全反射特性及極強(qiáng)的光熱轉(zhuǎn)換能力。

鄧波教授是材料學(xué)院2016年5月從University of British Columbia引進(jìn)的高水平海外人才。入校幾年來(lái)主要從事原子層沉積制備功能化織物和高效可見(jiàn)光催化劑的相關(guān)研究、