TiO2纳米粒子膜的表面态性质及其光催化活性的研究

TiO₂纳米粒子膜催化剂光催化降解水中污染物,与粉末相比具有可重复使用、易回收等优点,近年来,在光化学领域受到人们的高度重视^[1～3].膜催化剂的表面性质与其光催化活性直接相关,研究这些性质能够为研制、开发高效催化剂提供理论依据.本文采用TiCl₄水解法,制备了酸性、碱性条件下TiO₂纳米粒子膜.利用原子力显微镜(AFM)、X-射线衍射谱(XRD)、红外光谱(IR)和场诱导表面光电压谱(EFISPS)测定其表面微结构.考察了它们对苯酚降解的光催化活性,讨论了膜催化剂的表面性质对光催化活性的影响.     

TiO2纳米粒子膜的制备,表面态性质和光催化活性

在酸性和碱性条件下,用ＴｉＣｌ４水解法制备了ＴｉＯ２纳米粒子膜催化剂。采用原子力显微镜（ＡＦＭ）,Ｘ射线衍射（ＸＲＤ）,表面光电压谱（ＳＰＳ）和场诱导表面光电压谱（ＥＦＩＳＰＳ）测定了催化剂表面的微结构及能级结构。     

TiO2纳米粒子的光催化活性与光伏响应特性研究

TiO2纳米粒子由于其具有良好的化学稳定性、耐光腐蚀性、宽带隙能和大的比表面积等特点而被广泛地应用到光催化降解有机污染物^[1,2]和光催化储能等方面。由于研究手段和研究方法的限制,详细了解催化剂表面光生电荷行为、光谱谱带与催化活性的关系比较困难,而这些关系将为制备高催化活性的光催化剂提供理论基础,由于光催化活性的高低与催化剂的表面性质直接相关,表面光电压谱（SPS）是研究固体材料表面物性和界面间电荷转移过程的有利手段^[3],其为控制光催化机理提供了新的手段。本文利用表面光电压谱方法对系纳米TiO2光催化剂进行了光伏响应测试,发现TiO2的晶型、粒径及表面吸附物对其光催化活性有很大影响。不同性质的表面吸附物可使催化剂表面呈现不同的导电特性,而使其光催化活性不同。利用能带理论和场效应原理对此进行了 合理的解释。     

TiO2纳米粒子膜的表面态性质对光催化活性的影响

TiO2纳米粒子膜催化剂光催化降解大气和水中污染物,具有广泛的应用前景,成为重点研究的课题之一[1～3].膜的晶体结构、能带结构、表面微结构和光生载流子过程等是决定催化剂光催化活性重要的因素.研究这些性质能够为研制和开发高效催化剂提供理论依据.本文采用等离子体化学气相沉积法(PECVD)[4]制备TiO2纳米粒子膜,分别用TiCl4等离子体和O2等离子体处理膜表面,制出两种不同表面性质的TiO2纳米粒子膜,测定其表面性质和降解苯酚的光催化活性,分析和讨论了膜表面物种、表面态能级对光催化活性的影响.     

镧系离子掺杂TiO2的制备及其对咪唑降解反应的光催化活性

 以TiCl4和镧系元素的氯化盐溶液为前驱体,采用溶胶-凝胶法制备了不同含量镧系离子掺杂的TiO2光催化剂,用X射线衍射(XRD)、 光致发光光谱(PLS)、 表面光电压谱(SPS)和X射线光电子能谱(XPS)对催化剂进行了表征. XRD结果表明,样品为锐钛矿和金红石的混晶相,镧系离子未进入到TiO2晶格中. PLS和SPS测定结果表明,随着掺杂离子的不同和掺杂含量的不同,样品的谱强度呈现有规律的变化. 在紫外光照射下,以咪唑为目标降解物比较了催化剂的光催化活性. 结果表明,适当含量的镧系离子掺杂可有效促进TiO2表面光生载流子的分离,从而显著提高其光催化活性.     

Pd/ZnO和Ag/ZnO复合纳米粒子的SPS和XPS研究

用焙烧前驱物碱式碳酸锌的方法制备了ZnO纳米粒子，采用光还原沉积贵金属的方法分别得到了质量分数为0.5％的Pd/ZnO和Ag/ZnO复合纳米粒子，并利用XRD、TEM、XPS和SPS等测试技术对样品进行表征.初步探讨了贵金属在ZnO纳米粒子表面形成原子簇的原因及沉积贵金属对ZnO纳米粒子表面光电压信号的影响.以光催化氧化气相正庚烷为模型反应，考察了沉积贵金属对ZnO纳米粒子光催化活性的影响，并探讨了光催化活性有所提高的内在原因.结果表明， ZnO纳米粒子沉积贵金属后，其表面光电压信号明显下降，而光催化活性却大大地提高，这说明可以通过表面光电压谱的测试来初步的评估纳米粒子的光催化活性，即粒子的表面光电压信号越弱，其光催化活性越高.     

掺Sn的纳米TiO2表面光致电荷分离及光催化活性

采用溶胶-凝胶法制备了不同掺Sn量的TiO₂纳米粒子, 主要利用表面光电压谱(SPS)和光致发光光谱(PL)对样品进行了表征, 并通过光催化降解苯酚实验来评估样品活性. 重点考察了热处理温度和掺Sn量对样品表面光生载流子的分离及光催化活性的影响, 并探讨了Sn使TiO₂纳米粒子改性的机制. 结果表明, 在适当温度处理下, 适量Sn的掺入能够有效促进TiO₂纳米粒子表面光生载流子的分离, 以至于使其光催化活性得到显著提高.     

形态结构和光电特性对纳米TiO2光催化性能的影响

采用sol-gel法制备了系列纳米TiO2光催化剂,运用X射线衍射、BET比表面测定、紫外漫反射吸收光谱和表面光电压谱等手段对催化剂进行表征,并以乙烯作为光催化反应的指标反应分子,研究了TiO2纳米晶的性质对于光催化活性的影响.随着焙烧温度的升高,TiO2的晶粒逐渐增大,比表面积下降,晶相由锐钛矿向金红石转变,其吸收带边与光伏响应阈值向长波方向移动,氧化－还原能力降低,降解乙烯的转化率迅速下降.     

水洗处理对Au/TiO2催化剂光催化活性的影响

以Au(S2O3)3-2为金前驱体, 分别采用水洗(W)和旋蒸(E)工艺制备了Au/TiO2催化剂. 用UV-Vis漫反射光谱(DRS)、X 射线衍射(XRD)、透射电子显微镜(TEM)和原子吸收光谱(AAS)对制备的催化剂样品进行了表征, 通过光催化降解甲基橙对催化剂光催化活性进行了评价. 结果表明, 通过水洗处理, 催化剂样品表面形成了具有较好分散性的金纳米粒子(2-5 nm), 而旋蒸工艺制备的样品表面形成一层金的包覆结构. Au/TiO2催化剂的光催化活性与制备工艺密切相关. 在相似的金负载量下, 水洗法制备的样品比旋蒸法制备的样品具有更高的光催化活性.     

表面修饰DBS基团对TiO2气相光催化性能的影响

采用溶胶-水热法直接获得表面修饰十二烷基苯磺酸钠(DBS)分子基团的TiO2纳米粒子, 并考察了DBS表面修饰对纳米TiO2光催化氧化降解气相n-C5H12反应的活性和寿命的影响, 并利用表面光电压(SPS)谱和光致发光(PL)光谱等方法研究了DBS表面修饰的影响机制. 结果表明, 表面修饰DBS分子基团能够抑制TiO2纳米微晶生长, 促进纳米TiO2分散, 增强吸附性和提高光生电荷分离, 使光催化活性显著提高. 但寿命并未下降, 这与TiO2和DBS基团的光稳定性有关. 动力学研究结果表明, TiO2光催化氧化n-C5H12反应遵循Langmuir-Hinshelwood动力学模型, 为准一级反应.     

Multivalency iodine doped TiO2: preparation, characterization, theoretical studies, and visible-light photocatalysis

Multivalency iodine (I(7)+/I(-)) doped TiO(2) were prepared via a combination of deposition-precipitation process and hydrothermal treatment. The as-prepared samples were characterized by X-ray diffraction, transmission electron microscopy, Brunauer-Emmett-Teller surface area, UV-vis diffuse reflectance spectra, X-ray photoelectron spectroscopy, surface photovoltage spectroscopy, and electric-field-induced surface photovoltage spectroscopy. The electronic structure calculations based on the density functional theory revealed that upon doping, new states that originated from the I atom of the IO(4) group are observed near the conduction-band bottom region of TiO(2), and the excitation from the valence band of TiO(2) to the surface IO(4-) is responsible for the visible-light response of the I-doped TiO(2). The as-prepared I-doped TiO(2) showed high efficiency for the photocatalytic decomposition of gaseous acetone under visible light irradiation (lambda > 420 nm). A possible mechanism for the photocatalysis on this multivalency iodine (I(7)+/I(-)) doped TiO(2) under visible light was also proposed.     

Effects of surface oxygen vacancies on photophysical and photochemical processes of Zn-doped TiO2 nanoparticles and their relationships

In this paper, TiO(2) nanoparticles doped with different amounts of Zn were prepared by a sol-gel method and were mainly characterized by means of X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), photoluminescence (PL), and surface photovoltage spectrum (SPS). The effects of surface oxygen vacancies (SOVs) of Zn-doped TiO(2) nanoparticles on photophysical and photocatalytic processes were investigated along with their inherent relationships. The results show that the SOVs easily bind photoinduced electrons to further give rise to PL signals. The SOVs can result in an interesting sub-band SPS response near the band edge in the TiO(2) sample consisting of much anatase and little rutile, except for an obvious band-to-band SPS response. Moreover, the intensities of PL and SPS signals of TiO(2), as well as the photocatalytic activity for degrading phenol solution, can be enhanced by doping an appropriate amount of Zn. These improvements are mainly attributed to the increase in the SOV amount. It can be suggested that the SOVs should play an important role during the processes of PL, surface photovoltage, and photocatalytic reactions, and, for the as-prepared TiO(2) samples doped with different amounts of Zn by thermal treatment at 550 degrees C, the larger the SOV amount, the stronger the PL and SPS signal, and the higher the photocatalytic activity.     

金红石/锐钛矿混晶结构的TiO2薄膜光催化活性

采用磁控溅射法制备出一组金红石/锐钛矿混晶结构的纳米TiO2薄膜催化剂,并通过光催化降解苯酚实验考察该薄膜的催化性能. 光催化实验证明, 随着催化剂中金红石含量减少, 催化剂的光催化活性逐渐提高. X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、表面光电压谱(SPS)和原子力显微镜(AFM)结果表明, 催化剂为金红石和锐钛矿混晶结构, 并随着金红石含量减少, 催化剂的表面羟基(OH)和桥氧(—O—)的含量逐渐增加, 而且费米能级逐渐提高. 表面羟基和桥氧是有利于光催化的“活性物种”; 费米能级的提高使TiO2/H2O 面处TiO2的表面带弯增大, 导致了价带光生空穴参加光催化反应的几率增大, 有效地促进了光生载流子的分离; 这些因素是催化剂光催化活性逐渐提高的主要原因.     

Synthesis of a hybrid assembly composed of titanium dioxide nanoparticles and thin multi-walled carbon nanotubes using "click chemistry"

A hybrid assembly composed of thin multi-walled carbon nanotubes (t-MWCNT) and titanium dioxide (TiO(2)) has been prepared by using "click" chemistry for photocatalytic applications. TiO(2)-decorated t-MWCNT hybrids with anatase phase TiO(2) were obtained from the reaction of an azide moiety-containing TiO(2) with alkyne-functionalized t-MWCNTs. The hybrids were systematically characterized using Fourier transform infrared spectroscopic (FT-IR), Raman spectroscopy, X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), field emission scanning electron microscopy (SEM), transmission electron microscopy (TEM), energy dispersive X-ray spectrum (EDX), and X-ray diffraction (XRD) measurements. The nanohybrid has been proved to be highly active and robust for photocatalytic degradation of methyl orange. The click coupling approach is a simple and convenient route to efficiently assemble TiO(2) on the surface of carbon nanotubes, and can be extended to obtain many other nanoparticle hybrids based on carbon nanotubes.     

TiO2晶型对Au/TiO2上光催化分解臭氧的影响

以不同晶型TiO2为载体,采用沉积-沉淀法制备了Au/TiO2光催化剂,并用紫外-可见漫反射光谱、X射线光电子能谱(XPS)和表面光电压谱(SPS)等手段进行了催化剂表征,详细考察了Ti O2晶型对Au/TiO2光催化分解臭氧活性的影响.结果表明,光催化分解臭氧的活性顺序为Au/P25>Au/Anatase>Au/Rutile,这与不同的单一Ti O2对光催化臭氧分解的活性顺序是一致的.但在TiO2上沉积金后,其对光催化臭氧的分解活性有了显著的提高.由催化剂的Au4fXPS分析发现,不同晶型Ti O2上的电荷向金簇迁移的能力有明显差异,加之载体本身对光催化臭氧分解活性不同,两者协同作用导致负载金催化剂光催化分解臭氧活性的不同.SPS信号强度与催化剂光催化活性有很好的对应关系,SPS信号越强,光生电子和空穴分离效率越高,光催化活性越好.     

可见光响应的LaVO4/TiO2 纳米管的合成、表征及对气相甲苯的光催化性能

通过水热方法合成了可见光响应的LaVO4/TiO2纳米管, 采用XRD, TEM, 氮气吸附-脱附以及表面光电压谱对样品进行了表征. 以气相甲苯为典型污染物, 研究了制备样品在可见光(λ＞420 nm)条件下的光催化性能. 实验结果表明, LaVO4的复合使TiO2的粒径减小, 比表面积增大, 光响应范围向可见光偏移. 光催化实验结果表明, 在可见光条件下, LaVO4/TiO2纳米管降解甲苯的效率比其它样品高, 与纯TiO2纳米管相比, 降解效率提高了47%.     

多酸修饰二氧化钛纳米管复合膜的制备、表征及其光催化降解甲基橙的研究

采用电沉积方法制备了H3PW12O40(PW12)-TiO2复合膜,通过SEM,EDX和XRD等手段,对其组成和结构进行了表征,并考察了该复合膜催化剂对降解甲基橙的催化活性.实验结果表明PW12存在于TiO2纳米管结构中,用PW12多酸修饰的TiO2纳米管比单独的TiO2纳米管展示出更好的光催化性能,由于电子能够从TiO2纳米管导带转移到多酸的LUMO能级,有效抑制了光生电子和空穴的复合,因而使PW12-TiO2复合膜表现出更高的光催化活性.