论文摘要
能源与环境危机是21世纪人类面临的巨大挑战,充分利用太阳能是应对这一挑战的有效方法。蝶类在几千万年的自然选择中进化出了非常精美的鳞片微结构来与太阳光相互作用。通过借鉴大自然中蝶翅鳞片的精妙结构,将其与半导体光催化剂所具有的光催化性能巧妙的相互耦合,可以得到光催化性能更好的生物分级构造光催化剂,从而为充分利用太阳能解决能源与环境问题提供新的设计思路。本文选取了凤蝶科的玉斑凤蝶（Papilio helenus Linnaeus）、绿带翠凤蝶（Papilio maackii）以及斑蝶科的异型紫斑蝶（Euploea mulciber）共三种不同宏观和微观形貌的蝴蝶,以三氯化钛溶液作为前躯体,使用“浸渍-煅烧”法制备了三种不同蝶翅模板的生物分级构造二氧化钛。通过XRD、FESEM、TEM、氮吸附以及UV-Vis等方法对所得产物进行了晶相与晶粒度、微观结构、孔径与孔分布以及光捕获性能等一系列表征,结果表明产物均为晶粒细小均匀的单一锐钛矿相二氧化钛,具有适当缩小的蝶翅模板的脊-孔介孔分级结构,同时产物还具有均匀分布的微孔结构,微孔孔径约为8 nm左右、分布集中,相比无模板二氧化钛,玉斑凤蝶模板生物分级构造二氧化钛和异型紫斑蝶模板生物分级构造二氧化钛在波长小于380 nm的紫外光区光捕获性能分别提高了35%左右,绿带翠凤蝶模板生物分级构造二氧化钛在波长小于380 nm的紫外光区光捕获性能提高了20%左右。对三种不同蝶翅模板的生物分级构造二氧化钛进行了光催化降解结晶紫实验,并在此基础上以光催化降解结晶紫效果最好的玉斑凤蝶蝶翅结构二氧化钛为例进行了光解水制氢性能研究光催化分解水制氢实验,从而测试其光催化性能,结果表明所得生物分级构造二氧化钛可以成功的将结晶紫大分子共轭体系破坏,将其降解为水、二氧化碳及其他无污染性的有机小分子;相比无模板二氧化钛,三种生物分级构造二氧化钛光催化降解结晶紫的效率分别提高了4.3倍、2.6倍和1.9倍;相比无模板二氧化钛,同样的条件下,生物分级构造二氧化钛的光催化分解水效率提高了7倍左右;沉积1.5% Pt的生物分级构造二氧化钛的产氢效率是沉积1.5% Pt的无模板二氧化钛的2.24倍左右。本研究巧妙的借鉴了大自然中蝶翅的精细结构并加以利用,实现了天然生物结构与半导体光催化剂所具有的光催化性能的巧妙耦合,为探索新型功能材料提供了新的设计思路。