拓扑相变制备具有拓宽可见光响应范围的Ti3+自掺杂3D空盒状TiO2

TiO2广泛用作半导体光催化材料, 但由于自身对光利用率低(只吸收紫外光)、禁带宽度较大、光生载流子复合率极高, 限制了它在相关领域的应用. 为此, 设计了Ti3+离子自掺杂来克服TiO2半导体材料的上述缺点, 进而提高其光催化活性. 在不引入其他元素的情况下, 以TiOF2为原料, Zn粉为还原剂, 在水热条件下采用拓扑相变法原位制备了具有可见光响应的Ti3+自掺杂空盒状TiO2(记为Ti3+/TiO2)催化剂材料. 掺杂金属离子可以改变半导体TiO2的结晶度和产生晶格缺陷, 形成电子或空穴的捕获中心, 影响电子-空穴对的复合; 同时, 掺杂金属离子产生的晶格缺陷有利于Ti3+和氧空位的形成, 有利于提高TiO2的量子效率. Ti3+掺杂是一种既清洁又未引入其他金属离子的掺杂改性方法, 它能有效保持催化剂的结构和形貌不受其他金属离子的影响. 总之, 金属离子掺杂有效拓展了TiO2的光吸收范围, 并极大地提高了TiO2的光催化活性.本文研究了不同量的还原剂对催化剂空盒状TiO2结构形貌影响, 以及在可见光下光催化降解罗丹明B反应性能, 发现Ti3+/TiO2催化剂均拥有非常好的光催化活性, 其中R0.25催化剂在可见光下120 min, RhB降解率达到96%, 是TiO2的4倍多. 且可循环使用5次的光催化循环降解实验后, 表现出较高的稳定性. 催化剂经过Ti3+自掺杂后, 对催化剂自身的空盒状结构形貌并无很大的影响, 随着还原剂Zn粉的量增加, Ti4+还原形成Ti3+数量增加, 导致形成更多的氧空位. 皆为锐钛矿型TiO2,与未掺杂Ti3+的TiO2比较发现, 自掺杂Ti3+的TiO2的(105)XRD衍射峰越来越尖锐, (004)衍射峰越来越宽. 随着还原剂Zn粉质量的逐渐增加, 催化剂的光响应范围拓宽到可见光区, 且逐渐增强. 这说明Ti3+的掺杂不仅提高了TiO2在可见光的响应能力, 也提高了TiO2在紫外光范围的响应能力. 另外, 掺杂后的TiO2禁带宽度的减小, 使其价带上的电子更容易被可见光激发, 产生更多的电子-空穴对参与光催化反应, 从而提高TiO2的光催化效率.     

拓扑相变制备具有拓宽可见光响应范围的Ti~(3+)自掺杂3D空盒状TiO_2（英文）

TiO_2广泛用作半导体光催化材料,但由于自身对光利用率低(只吸收紫外光)、禁带宽度较大、光生载流子复合率极高,限制了它在相关领域的应用.为此,设计了Ti~(3+)离子自掺杂来克服TiO_2半导体材料的上述缺点,进而提高其光催化活性.在不引入其他元素的情况下,以TiOF_2为原料,Zn粉为还原剂,在水热条件下采用拓扑相变法原位制备了具有可见光响应的Ti~(3+)自掺杂空盒状TiO_2(记为Ti~(3+)/TiO_2)催化剂材料.掺杂金属离子可以改变半导体TiO_2的结晶度和产生晶格缺陷,形成电子或空穴的捕获中心,影响电子-空穴对的复合;同时,掺杂金属离子产生的晶格缺陷有利于Ti~(3+)和氧空位的形成,有利于提高TiO_2的量子效率.Ti~(3+)掺杂是一种既清洁又未引入其他金属离子的掺杂改性方法,它能有效保持催化剂的结构和形貌不受其他金属离子的影响.总之,金属离子掺杂有效拓展了TiO_2的光吸收范围,并极大地提高了TiO_2的光催化活性.本文研究了不同量的还原剂对催化剂空盒状TiO_2结构形貌影响,以及在可见光下光催化降解罗丹明B反应性能,发现Ti~(3+)/TiO_2催化剂均拥有非常好的光催化活性,其中R0.25催化剂在可见光下120 min,RhB降解率达到96%,是TiO_2的4倍多.且可循环使用5次的光催化循环降解实验后,表现出较高的稳定性.催化剂经过Ti~(3+)自掺杂后,对催化剂自身的空盒状结构形貌并无很大的影响,随着还原剂Zn粉的量增加,Ti~(4+)还原形成Ti~(3+)数量增加,导致形成更多的氧空位.皆为锐钛矿型TiO_2,与未掺杂Ti~(3+)的TiO_2比较发现,自掺杂Ti~(3+)的TiO_2的(105)XRD衍射峰越来越尖锐,(004)衍射峰越来越宽.随着还原剂Zn粉质量的逐渐增加,催化剂的光响应范围拓宽到可见光区,且逐渐增强.这说明Ti~(3+)的掺杂不仅提高了TiO_2在可见光的响应能力,也提高了TiO_2在紫外光范围的响应能力.另外,掺杂后的TiO_2禁带宽度的减小,使其价带上的电子更容易被可见光激发,产生更多的电子-空穴对参与光催化反应,从而提高TiO_2的光催化效率.     

自掺杂TiO_2纳米管:液相制备及光催化性能

采用水合肼(N2H4·H2O)作为还原剂,在液相环境中制备了自掺杂TiO2纳米管阵列(NTs)。利用FE-SEM、EDS、XPS、XRD、Raman、UV-Vis/NIR分光光度法以及半导体特性分析系统(Keithley 4200 SCS)分别对样品的形貌,晶体结构,光学特性以及电学性能进行了表征。结果表明:通过这种方法制备的自掺杂TiO2NTs在带隙中引入了大量的氧空位,创造了氧空位能级,从而提高了样品的电导率,有效提高光生电子-空穴对的产生、分离和传输。此外,由于氧空位的作用,使得TiO2NTs的带隙变窄,增强了可见光吸收能力,致使样品具有较高的光催化活性,并通过降解甲基橙溶液对样品的光催化活性进行评估。结果显示当光照150 min后,自掺杂TiO2NTs对甲基橙溶液的降解率达73%,并且这种催化剂便于回收和重复使用。     

原位合成稳定的Ti3+自修饰介孔TiO2光催化剂在环境净化中的应用

半导体光催化剂TiO2因具有绿色环保无污染、化学稳定性好及可实现稳定产氢等优点而广泛应用于光解水、废水处理和空气净化等领域.然而,锐钛矿相TiO2禁带宽度约为3.2 eV,仅对紫外光响应.而在太阳光中,44%左右为可见光,紫外光仅占不到4%.为了提高TiO2对太阳光的利用率和在可见光照射下的光催化活性,近年来人们采用掺杂金属/非金属离子以及与可见光催化剂复合等方法对TiO2进行改性.但是这些离子掺杂的方法会不可避免地在TiO2晶格中形成结构缺陷,这些结构缺陷作为光生电子和空穴的复合中心不利于电子和空穴分离.最近研究表明,通过Ti3+自掺杂可以很好提高TiO2可见光催化活性,但是目前制备Ti3+掺杂TiO2的方法较复杂,形成的Ti3+掺杂易在表面积聚而被进一步氧化,影响其光催化稳定性,不利于实际应用.因此,开发具有良好电子-空穴分离效率的可见光催化剂引起了广泛的研究兴趣.本文通过原位自掺杂Ti3+来提高TiO2可见光光催化活性.以TiCl3为钛源, H2O为溶剂, F127为软模板,采用溶剂挥发诱导自组装的方法制备了蠕虫状Ti3+自掺杂的介孔TiO2.采用X射线衍射(XRD)、N2物理吸附、紫外-可见漫反射(UV-vis)、透射电子显微镜和电子顺磁共振(EPR)对所制备样品结构、结晶度和形貌等进行了表征分析.通过控制表面活性剂用量和焙烧温度优化了Ti3+自掺杂介孔TiO2的光催化活性.结果表明,在模拟太阳光照射下,所制样品对气相光催化氧化NO和水相降解有机染料亚甲基蓝表现出优异的催化性能和稳定性. Ti3+自掺杂介孔TiO2有效扩展了催化剂的光吸收范围,提高了光生电子空穴的迁移效率.其优异的光催化活性和稳定性主要归因于掺杂在TiO2骨架中的Ti3+和所合成催化剂多孔性之间的协同效果.固体UV-vis结果表明,所合成的TiO2具有很好的可见光响应,主要归因于在TiO2材料合成过程中,部分Ti3+未被完全氧化, Ti3+掺入可以有效降低TiO2的禁带宽度.通过计算可知合成的TiO2禁带宽度为2.7 eV.通过低温EPR测试进一步证明了Ti3+的存在,而且Ti3+主要掺杂在TiO2体相中. N2物理吸附结果表明,随焙烧温度不断提高,所得产物的比表面积先增加后减少,当焙烧温度在500 oC时,比表面积最大,但至550 oC时,比表面积、孔径和孔体积增大,表明催化剂的孔结构被破坏.表面活性剂F127的用量对样品比表面积和孔径大小也有影响,当其用量为0.54 g时,所得产物的比表面积最大.我们将所合成的TiO2应用于污染气体NO的氧化,考察了焙烧温度和表面活性剂用量对光催化剂性能的影响.结果表明,当表面活性剂用量为0.54 g,焙烧温度为500oC时,所制催化剂在模拟太阳光和可见光照射下都表现出最好的NO去除转化率.将使用过的催化剂离心洗涤后进行连续反应3.5 h,依然保持很高的NO去除转化率.催化剂高活性及稳定性的主要原因是Ti3+的掺杂将TiO2光响应范围拓展到可见光区域,且Ti3+掺杂和介孔结构之间的协同作用有利于促进光生电子和空穴的分离.当催化剂在低于500 oC焙烧时,所得催化剂结晶度较低,不利于光生电子-空穴的分离,而高温焙烧则会导致催化剂介孔结构遭到破坏,不利于NO气体吸附和产物脱附.表面活性剂对催化剂活性影响较小,在可见光照射下催化剂均表现出很好的光催化活性.此外,该Ti3+自掺杂介孔TiO2在液相条件下对有机染料亚甲基蓝也表现出很好的去除效果,可见光照射2 h,亚甲基蓝去除率接近100%.     

Ag/TiO_(2-x)N_x与TiO_(2-x)N_x可见光催化降解丙烯的活性对比

利用纳米管钛酸(NTA)和氨水的水热反应制得TiO_(2-x)N_x系列催化剂,并进一步通过热分解-机械研磨的方法在TiO_(2-x)N_x表面附着上银颗粒,制得Ag/TiO_(2-x)N_x系列催化剂.采用X射线衍射(XRD)、紫外-可见漫反射(DRS)、X射线光电子能谱(XPS)等技术对催化剂进行了表征和分析.光催化氧化丙烯的实验对比了TiO_(2-x)N_x与Ag/TiO_(2-x)N_x两个系列催化剂的可见光催化活性,考察了氧空位、晶型结构、氮含量和银颗粒对催化剂可见光催化活性的影响.结果表明,催化剂锐钛矿的晶型越好,氧空位含量越高,催化剂的可见光催化活性越好;贵金属银的电子捕获能力使得Ag/TiO_(2-x)N_x的可见光催化活性远高于TiO_(2-x)N_x催化剂.     

一步低温法制备可见光响应的棕色纳米TiO_2及其光催化性能（英文）

光催化作为一种具有前景的技术,被广泛运用于有机物降解、废水处理、空气净化、抗菌、太阳能电池等领域.在众多的光催化材料中,纳米TiO_2因具有性质稳定、耐腐蚀、廉价和无毒等优点而受到广泛关注.但纳米TiO_2禁带宽度较大(3.2 eV)、只对紫外光有响应及电子-空穴对易复合等特性限制了它的应用.因此,提高纳米TiO_2的可见光响应一直是研究的热点.本文发展了一种在低温下制备棕色纳米TiO_2的改良溶胶-凝胶法.该法以钛酸四丁酯为钛源,无水乙醇为溶剂,形成溶胶后无需陈化和高温高压,在简单温和的条件下即可制备出棕色纳米TiO_2.比较了低温干燥和高温焙烧两种处理方法,结果表明,随着制备温度的升高,样品的粒子尺寸增大,比表面积减小,颜色从白色转变为棕色,在更高的温度又变浅.样品的可见光吸收在180°C时达到最大,随后减弱.在优化温度180°C下制备的TiO_2-180°C纳米粒子不仅具有较小的粒径(5.0 nm),较大的比表面积(213.45 m~2/g),且在整个紫外-可见光区都具有较强的吸收,其禁带宽度低至1.84 eV.X-射线光电子能谱结果表明,TiO_2粒子表面的–OH/H_2O含量随制备温度升高而先增加后下降.Raman光谱中Eg峰的移动和变宽表明TiO_2晶格可能存在缺陷或氧空位,而TiO_2-180°C纳米粒子的电子顺磁共振图谱的g值在2.003左右,对应氧空位中的未成对电子,验证了以上推测.其中TiO_2-180°C纳米粒子呈现为最强的EPR信号,表明其晶格内存在最高浓度的氧空位,这是其具有强可见光吸收的原因.光催化实验结果表明,在可见光照射下,TiO_2-180°C可高效降解亚甲基蓝(MB).当C(MB)=10mg/L,p H=4,催化剂添加量为0.07 g时,TiO_2-180°C催化剂的光催化活性达到最佳,光照1 h后MB降解率达到99.33%,反应速率常数(0.08287 mg/(L×min))约为同条件下P25(0.01342 mg/(L×min))的6倍.同时,TiO_2-180°C催化剂在不同单色光下的光催化活性与它对单色光的光响应大致相符.循环降解实验证明TiO_2-180°C催化剂具有很好的稳定性.光猝灭实验表明,?OH在光催化降解过程占主导作用,而TiO_2-180°C样品表面含有较多的–OH,有利于?OH的产生,乃至光催化反应.研究表明,晶格内高浓度的氧空位导致的强可见光响应,得益于低温制备条件而保留了大量–OH/H_2O的纳米粒子表面以及更大的比表面积,共同促成了TiO_2-180°C优越的光催化活性.所制备的棕色纳米TiO_2经过进一步修饰后有望运用于实际应用中.     

原位合成稳定的Ti~(3+)自修饰介孔TiO_2光催化剂在环境净化中的应用（英文）

半导体光催化剂Ti O2因具有绿色环保无污染、化学稳定性好及可实现稳定产氢等优点而广泛应用于光解水、废水处理和空气净化等领域.然而,锐钛矿相Ti O2禁带宽度约为3.2 e V,仅对紫外光响应.而在太阳光中,44%左右为可见光,紫外光仅占不到4%.为了提高Ti O2对太阳光的利用率和在可见光照射下的光催化活性,近年来人们采用掺杂金属/非金属离子以及与可见光催化剂复合等方法对Ti O2进行改性.但是这些离子掺杂的方法会不可避免地在Ti O2晶格中形成结构缺陷,这些结构缺陷作为光生电子和空穴的复合中心不利于电子和空穴分离.最近研究表明,通过Ti3+自掺杂可以很好提高Ti O2可见光催化活性,但是目前制备Ti3+掺杂Ti O2的方法较复杂,形成的Ti3+掺杂易在表面积聚而被进一步氧化,影响其光催化稳定性,不利于实际应用.因此,开发具有良好电子-空穴分离效率的可见光催化剂引起了广泛的研究兴趣.本文通过原位自掺杂Ti3+来提高Ti O2可见光光催化活性.以Ti Cl3为钛源,H2O为溶剂,F127为软模板,采用溶剂挥发诱导自组装的方法制备了蠕虫状Ti3+自掺杂的介孔Ti O2.采用X射线衍射(XRD)、N2物理吸附、紫外-可见漫反射(UV-vis)、透射电子显微镜和电子顺磁共振(EPR)对所制备样品结构、结晶度和形貌等进行了表征分析.通过控制表面活性剂用量和焙烧温度优化了Ti3+自掺杂介孔Ti O2的光催化活性.结果表明,在模拟太阳光照射下,所制样品对气相光催化氧化NO和水相降解有机染料亚甲基蓝表现出优异的催化性能和稳定性.Ti3+自掺杂介孔Ti O2有效扩展了催化剂的光吸收范围,提高了光生电子空穴的迁移效率.其优异的光催化活性和稳定性主要归因于掺杂在Ti O+2骨架中的Ti3和所合成催化剂多孔性之间的协同效果.固体UV-vis结果表明,所合成的Ti O+2具有很好的可见光响应,主要归因于在Ti O2材料合成过程中,部分Ti3+未被完全氧化,Ti3掺入可以有效降低Ti O2的禁带宽度.通过计算可知合成的Ti O2禁带宽度为2.7 e V.通过低温EPR测试进一步证明了Ti3+的存在,而且Ti3+主要掺杂在Ti O2体相中.N2物理吸附结果表明,随焙烧温度不断提高,所得产物的比表面积先增加后减少,当焙烧温度在500 oC时,比表面积最大,但至550 oC时,比表面积、孔径和孔体积增大,表明催化剂的孔结构被破坏.表面活性剂F127的用量对样品比表面积和孔径大小也有影响,当其用量为0.54 g时,所得产物的比表面积最大.我们将所合成的Ti O2应用于污染气体NO的氧化,考察了焙烧温度和表面活性剂用量对光催化剂性能的影响.结果表明,当表面活性剂用量为0.54 g,焙烧温度为500 oC时,所制催化剂在模拟太阳光和可见光照射下都表现出最好的NO去除转化率.将使用过的催化剂离心洗涤后进行连续反应3.5 h,依然保持很高的NO去除转化率.催化剂高活性及稳定性的主要原因是Ti3+的掺杂将Ti O2光响应范围拓展到可见光区域,且Ti3+掺杂和介孔结构之间的协同作用有利于促进光生电子和空穴的分离.当催化剂在低于500 oC焙烧时,所得催化剂结晶度较低,不利于光生电子-空穴的分离,而高温焙烧则会导致催化剂介孔结构遭到破坏,不利于NO气体吸附和产物脱附.表面活性剂对催化剂活性影响较小,在可见光照射下催化剂均表现出很好的光催化活性.此外,该Ti3+自掺杂介孔Ti O2在液相条件下对有机染料亚甲基蓝也表现出很好的去除效果,可见光照射2 h,亚甲基蓝去除率接近100%.     

氮自掺杂暴露(001)晶面TiO_2微米片的可见光光催化CO_2还原性能增强（英文）

化石能源的使用可产生大量CO2,带来严重的温室效应.光催化CO2还原生产太阳燃料技术既有望缓解温室效应,又可以将低能量密度的太阳能转化为高能量密度的化学能储存起来方便使用.高效光催化材料的开发是发展光催化技术的关键.迄今,在已开发的所有半导体光催化材料中,Ti O2仍是广泛研究的明星材料.在实际使用中,Ti O2的光催化效率仍受限于其极弱的可见光利用率和较高的电子-空穴复合几率.近年来,越来越多的研究表明Ti O2的结构与形貌特征极大地影响其光催化效率.尤其,Ti O2的外露晶面设计与晶面效应研究引起了广泛关注.由于具有较高表面能和较多表面不饱和键,起初大多数理论和实验研究认为锐钛矿Ti O2(001)晶面是光催化活性晶面.后来,越来越多研究表明并非锐钛矿Ti O2(001)晶面的暴露比例越高其光催化活性就越高.最近,我们发现锐钛矿Ti O2(001)晶面与(101)晶面在调控光催化CO2还原性能上具有良好的协同效应.密度泛函理论计算表明,锐钛矿Ti O2的(001)晶面与(101)晶面的能带结构有差异,(001)晶面的导带位置相对于(101)晶面而言较高,而(101)晶面的价带位置相对于(001)晶面而言较低.基于此我们提出,具有合适比例的锐钛矿Ti O2的(001)晶面与(101)晶面的交界处可以形成最佳的表面异质结或晶面异质结.表面异质结的形成导致光生电子倾向于向(101)扩散,光生空穴倾向于向(001)扩散,从而促进光生电子-空穴分离,降低光生电子-空穴复合几率.在此工作基础上,我们直接以氮化钛为原料,氢氟酸为添加剂,通过简单的水热反应一步合成了氮自掺杂的Ti O2微米片.利用X射线粉末衍射、扫描电镜、X射线光电子能谱、紫外-可见漫反射光谱、氮气吸附-脱附以及电化学阻抗谱等方法手段对所制备的光催化剂进行了基本结构与理化性质表征分析,并研究了其可见光光催化CO2还原性能.电镜照片结果表明,我们所制备的氮自掺杂锐钛矿Ti O2微米片的(001)晶面与(101)晶面比例分别为65%和35%.基于我们前期研究结果,Ti O2微米片的(001)晶面与(101)晶面可以形成表面异质结,具有良好的电荷分离效率,这也得到了电化学阻抗谱研究结果的证明.同时,由于N的原位掺杂,所制备的Ti O2微米片具有优异的可见光捕获能力.由于可见光利用效率增强与光生电子-空穴分离效率提高这两方面的综合作用,所制备的氮自掺杂Ti O2微米片具有非常好的可见光光催化CO2还原制甲醇性能,比商用P25及氮掺杂Ti O2纳米粒子等参考样品的可见光光催化性能更优异.研究表明,通过原位自掺杂方法与晶面设计方法相结合,可以同时改善Ti O2的可见光利用效率和光生电子-空穴分离效率,优化Ti O2的可见光光催化性能,这也为后续开发新型高效光催化材料提供了新思路.     

金红石相TiO_2纳米棒的氢化处理及其光催化活性

以钛酸四丁酯为钛源,通过盐酸调制的水热法制备出了具有棒状结构的金红石相纳米TiO2,并进一步进行高温氢化处理.采用X射线衍射(XRD),透射电镜(TEM),紫外-可见-近红外漫反射(UV-Vis-NIR DRS),电子顺磁共振(EPR)和表面光伏(SPS)等测试手段对样品进行表征,以气相乙醛和液相苯酚为目标污染物考察催化剂的光催化活性.结果表明:随着高温氢化处理时间的延长,TiO2样品的可见光吸收逐渐增强,其颜色逐渐由白色转变成灰色,这主要与引入的Ti3+/氧空位缺陷有关.表面光电压谱和羟基自由基测试表明,适当时间的氢化处理有利于光生电荷的分离.在光催化氧化降解气相乙醛和液相苯酚过程中,经适当时间氢化处理的样品表现出高的可见光催化活性.并且可见光催化活性的规律与紫外光下的是一致的.这是因为氢化处理后在导带底下方引入了缺陷能级,拓展了可见光响应.过度的氢化处理会在TiO2导带下方引入较低的缺陷能级,使光生电荷的复合加剧,导致光催化活性降低.     

一步低温法制备可见光响应的棕色纳米TiO2及其光催化性能

光催化作为一种具有前景的技术,被广泛运用于有机物降解、废水处理、空气净化、抗菌、太阳能电池等领域.在众多的光催化材料中,纳米TiO2因具有性质稳定、耐腐蚀、廉价和无毒等优点而受到广泛关注.但纳米TiO2禁带宽度较大(3.2 eV)、只对紫外光有响应及电子-空穴对易复合等特性限制了它的应用.因此,提高纳米TiO2的可见光响应一直是研究的热点.本文发展了一种在低温下制备棕色纳米TiO2的改良溶胶-凝胶法.该法以钛酸四丁酯为钛源,无水乙醇为溶剂,形成溶胶后无需陈化和高温高压,在简单温和的条件下即可制备出棕色纳米TiO2.比较了低温干燥和高温焙烧两种处理方法,结果表明,随着制备温度的升高,样品的粒子尺寸增大,比表面积减小,颜色从白色转变为棕色,在更高的温度又变浅.样品的可见光吸收在180℃时达到最大,随后减弱.在优化温度180℃下制备的TiO2-180℃纳米粒子不仅具有较小的粒径(5.0 nm),较大的比表面积(213.45 m2/g),且在整个紫外-可见光区都具有较强的吸收,其禁带宽度低至1.84 eV.X-射线光电子能谱结果表明,TiO2粒子表面的–OH/H2O含量随制备温度升高而先增加后下降.Raman光谱中Eg峰的移动和变宽表明TiO2晶格可能存在缺陷或氧空位,而TiO2-180℃纳米粒子的电子顺磁共振图谱的g值在2.003左右,对应氧空位中的未成对电子,验证了以上推测.其中TiO2-180℃纳米粒子呈现为最强的EPR信号,表明其晶格内存在最高浓度的氧空位,这是其具有强可见光吸收的原因.光催化实验结果表明,在可见光照射下,TiO2-180℃可高效降解亚甲基蓝(MB).当C(MB)=10 mg/L,pH=4,催化剂添加量为0.07 g时,TiO2-180℃催化剂的光催化活性达到最佳,光照1 h后MB降解率达到99.33%,反应速率常数(0.08287 mg/(L·min))约为同条件下P25(0.01342 mg/(L·min))的6倍.同时,TiO2-180℃催化剂在不同单色光下的光催化活性与它对单色光的光响应大致相符.循环降解实验证明TiO2-180℃催化剂具有很好的稳定性.光猝灭实验表明,·OH在光催化降解过程占主导作用,而TiO2-180℃样品表面含有较多的–OH,有利于·OH的产生,乃至光催化反应.研究表明,晶格内高浓度的氧空位导致的强可见光响应,得益于低温制备条件而保留了大量–OH/H2O的纳米粒子表面以及更大的比表面积,共同促成了TiO2-180℃优越的光催化活性.所制备的棕色纳米TiO2经过进一步修饰后有望运用于实际应用中.     

负载金的掺氮二氧化钛的制备及其可见光催化性能

以纳米管钛酸为前驱体,采用水热法先制备得到新型N掺杂二氧化钛,然后用沉积沉淀法在N掺杂二氧化钛表面负载微量贵金属Au,制备得到负载Au的掺N二氧化钛.利用TEM、XRD、XPS、ESR和DRS等手段研究了样品的形貌、晶体结构、元素化学态和光谱吸收性质.样品光催化活性通过可见光催化降解丙烯进行评价,结果表明,样品N-TiO₂和Au/N-TiO₂具有明显的可见光(λ≥420 nm)催化活性.ESR结果表明,掺氮过程中生成的束缚单电子的氧空位是样品具有可见光响应的原因.     

Ti~(3+)自掺杂的纳米TiO_2的制备及其可见光催化性能

以TiH2为Ti源,H2O2为氧化剂,首先通过表面氧化得到不同状态的前驱体凝胶,然后采用后续水热处理制备Ti3+自掺杂的纳米Ti O2.考察了前驱体凝胶状态及水热处理时间对材料结构和性能的影响.利用X射线衍射、透射电子显微镜、X射线光电子能谱、电子顺磁共振波谱和紫外-可见漫反射光谱手段对样品进行表征.以次甲基蓝溶液为模拟废水评价样品的可见光催化降解性能.结果表明,与纯Ti O2相比,Ti3+的自掺杂使材料在可见光区有明显的吸收,并具有良好的可见光催化降解性能和循环使用性能.当采用黄色凝胶为前驱体时,在160°C下水热处理24 h所得样品在可见光下光催化降解次甲基蓝的反应速率常数(0.0439 min-1)是纯Ti O2的18.3倍.     

氧缺位型TiO2的制备、表征及其光催化析氧活性

采用69 ℃饱和水蒸气和H2混合气, 于927 ℃下处理金红石型TiO2, 得到不同氧缺位的光催化剂, 并用X射线衍射(XRD)、比表面(BET)、电子顺磁共振(EPR)、紫外-可见漫反射(DRS)、光电子能谱(XPS)对其进行了表征. 考察了热处理时间对氧缺位型TiO2光催化分解水析氧活性的影响. 结果表明, 适量的氧缺位能显著提高金红石型TiO2光催化分解水的析氧活性, 其最大析氧速率达222 μmol·L-1·h-1.     

新型N-TiO2的固相法制备及其光催化性能

以纳米管钛酸为前驱体,以NH4HCO3为N源,先机械研磨使二者混合均匀,再在Ar保护下,于不同温度焙烧4h制得N掺杂TiO2 (N-TiO2),并采用X射线粉末衍射、X射线光电子能谱、紫外-可见吸收光谱、透射电镜及N2吸附-脱附对样品进行了表征.结果显示,N以间隙掺杂方式进入TiO2晶格内.在热处理过程中,生成中间体(...     

Ag/AgBr/TiO2 visible light photocatalyst for destruction of azodyes and bacteria

Ag/AgBr/TiO2 was prepared by the deposition-precipitation method and was found to be a novel visible light driven photocatalyst. The catalyst showed high efficiency for the degradation of nonbiodegradable azodyes and the killing of Escherichia coli under visible light irradiation (lambda>420 nm). The catalyst activity was maintained effectively after successive cyclic experiments under UV or visible light irradiation without the destruction of AgBr. On the basis of the characterization of X-ray diffraction, X-ray photoelectron spectroscopy, and Auger electron spectroscopy, the surface Ag species mainly exist as Ag0 in the structure of all samples before and after reaction, and Ag0 species scavenged hVB+ and then trapped eCB- in the process of photocatalytic reaction, inhibiting the decomposition of AgBr. The studies of ESR and H2O2 formation revealed that *OH and O2*- were formed in visible light irradiated aqueous Ag/AgBr/TiO2 suspension, while there was no reactive oxygen species in the visible light irradiated Ag0/TiO2 system. The results indicate that AgBr is the main photoactive species for the destruction of azodyes and bacteria under visible light. In addition, the bactericidal efficiency and killing mechanism of Ag/AgBr/TiO2 under visible light irradiation are illustrated and discussed.     

Length-controlled synthesis of oriented single-crystal rutile TiO2 nanowire arrays

A free-standing, large area, oriented single-crystal rutile TiO(2) nanowire arrays with a controlled length in the range of 10-80 μm are prepared via a facile one-step synthesis. The growth process is studied systematically in an appropriate amount of H(2)O(2) and HCl solution under hydrothermal conditions. The length of the nanowires can be easily tuned by varying the experimental parameters, including reaction temperature and reaction time. High-resolution transmission electron microscopy demonstrated that the nanowires have single-crystal structure. Furthermore, the photoluminescence characteristics and photocatalytic properties of oriented single-crystal rutile TiO(2) nanowires was discussed in this paper, respectively. It is found that the increased reaction temperature is helpful to photocatalytic reactivity and photoluminescence properties.     

Hydrothermal synthesis and characterization of nanorods of various titanates and titanium dioxide

The formation process of titania based nanorods during hydrothermal synthesis starting from an amorphous TiO2.nH2O gel has been investigated. Sodium tri-titanate (Na2Ti3O7) particles with a rodlike morphology were prepared by a simple hydrothermal process in the presence of a concentrated NaOH aqueous solution. The ion exchange reaction of the synthesized Na2Ti3O7 nanorods with HCl under ultrasonic treatment promotes a complete sodium substitution and the formation of H2Ti3O7 nanorods. Low-temperature annealing of the as-produced nanorods of Na2Ti3O7 and H2Ti3O7 leads to a loss of the layered crystal structure and the formation of nanorods of condensed framework phases-sodium hexa-titanate (Na2Ti6O13) and metastable TiO2-B phases, respectively. These transformations proceed without a significant change in particle morphology. The nanostructures were investigated by scanning electron microscopy (SEM), powder X-ray diffraction (XRD), the Brunauer-Emmett-Teller (BET) method, thermogravimetric analysis (TGA), and Raman spectroscopy. The structural defects of the synthesized nanorods were investigated by high-resolution electron microscopy. The presence of planar defects can be attributed to the exfoliation of the zigzag ribbon layers into two-dimensional titanates as well as to the condensation of the layers of TiO6 octahedra into three-dimensional frameworks.     

Hydrothermal oxidation synthesis of rod‐like ZnO and the influence of oxygen vacancy on photocatalysis

Rod‐like ZnO nanoparticles (NPs ) were synthesized from zinc powder by a simple hydrothermal oxidation method. The presence of acetylacetone could promote the oxidation reaction of Zn and the formation of hexagonal nanorods. Then, the as‐prepared samples were annealed in N₂ , O₂ , and air atmosphere at 550°C for 2 h to control the number of oxygen vacancies in the samples. The samples were characterized by X‐ray diffraction, scanning electron microscopy, X‐ray photoelectron spectroscopy, and UV –vis spectroscopy. The correlation between the oxygen vacancies and the photocatalytic activity was investigated. The results reveal that the annealing process alters the samples’ bandgap and number of the oxygen vacancies, thereby improving the photocatalytic activity. The enhancement of photodegradation efficiency arising from the appropriate content of oxygen vacancies is discussed.     

Selective photoreduction of nitric oxide to nitrogen by nanostructured TiO2 photocatalysts: role of oxygen vacancies and iron dopant

Conventional TiO(2)-based photocatalysts oxidize NO(x) to nitrate species, which do not spontaneously desorb and therefore deactivate the catalyst. We show that the selectivity of this reaction can be changed by creating a large concentration of oxygen vacancies in TiO(2) nanoparticles through thermal reduction in a reducing atmosphere. This results in the photoreduction of nitric oxide (NO) to N(2) and O(2), species which spontaneously desorb at room temperature. The activity of the photoreduction reaction can be greatly enhanced by doping the TiO(2) nanoparticles with Fe(3+), an acceptor-type dopant that stabilizes the oxygen vacancies. Moreover, the photoinduced reduction of Fe(3+) to Fe(2+) provides a recombination pathway that almost completely suppresses the formation of NO(2) and thus enhances the selectivity of the reaction for N(2) formation. Gas chromatography confirms that N(2) and O(2) are formed in a stoichiometric ratio, and the activity for NO decomposition is found to be limited by the concentration of oxygen vacancies. A series of internally consistent reaction equations are proposed that describe all experimentally observed features of the photocatalytic process. The observed influence of oxygen vacancies on the activity and selectivity of photoinduced reactions may lead to new routes toward the design of highly selective photocatalysts.     

Mechanism of photoinduced superhydrophilicity on the TiO2 photocatalyst surface

The physicochemical properties of the H(2)O molecules adsorbed on TiO(2) surfaces during UV light irradiation were fully investigated by near-infrared (NIR) absorption spectroscopy. It was found that the H(2)O molecules adsorbed on the TiO(2) surfaces desorb during UV light irradiation by the heating effect of the light source. Since the amount of the H(2)O adsorbed on the TiO(2) surfaces decreased, the distribution of the hydrogen bonds within the H(2)O molecules decreased, resulting in a decrease in the surface tension of the H(2)O clusters. The decrease in the surface tension of H(2)O under UV light irradiation was found to be one of the most important driving forces in which the H(2)O clusters on the TiO(2) surface spread out thermodynamically, forming H(2)O thin layers. The partial elimination of the hydrocarbons from the TiO(2) surface by the photocatalytic complete oxidation was seen to be the other important factor, providing free spaces on the surface where the H(2)O clusters could spill over and spread out to form the thin H(2)O layers. Moreover, the temperature changes of the TiO(2) powder samples during UV light irradiation were found to show a good correspondence with the changes in the contact angle of the H(2)O droplets on the TiO(2) thin film surfaces. Especially the time scale for the hydrophilic conversion on the TiO(2) surfaces under UV light irradiation was in good agreement with the decrease in the amount of H(2)O molecules adsorbed on the TiO(2) surfaces but not the amount of the hydrocarbons eliminated by the photocatalytic oxidation reactions, showing that the adsorption and desorption of H(2)O molecules are generally quite sensitive to the temperature changes of solid surfaces.