RE/TiO2光催化剂的谱学特性与气相光催化性能的研究

采用改进的sol-gel法和浸渍法制备了TiO₂掺杂稀土离子La³⁺、Y³⁺、Gd³⁺、Er³⁺、Nd³⁺、Pr³⁺的RE/TiO₂光催化剂,运用FTIR、XRD、TEM、低温氮吸附/脱附、TG/DTA、UV-Vis DRS、表面光电压谱(SPS)等进行表征,以气相光催化降解乙烯、溴代甲烷作为探针反应,阐明了RE/TiO₂光催化剂的谱学特性与气相光催化性能的关系。结果显示,稀土离子掺杂后,TiO₂的锐钛矿含量增加,比表面积增大,粒径变小,吸收边发生蓝移,表面光电压的响应阈值增大,此外,Pr³⁺除外的其它稀土离子掺杂的TiO₂的表面光电压信号增强;光催化降解实验表明,与纯TiO₂相比,La³⁺、Y³⁺、Gd³⁺、Er³⁺、Nd³⁺掺杂TiO₂样品上乙烯、溴代甲烷的光催化活性均有不同程度的增强,而且表现出较强的矿化能力。但是,掺杂Pr³⁺的TiO₂的光催化性能降低恰好对应较弱的表面光电压信号。所以,本文认为提高光生电子-空穴对的分离效率是改善光催化性能的关键因素。     

TiO2/Gd2O3纳米粉体的制备、表征及光催化活性

利用酸催化的溶胶-凝胶法制备了纯TiO₂和Gd³⁺(0.5wt%)掺杂的TiO₂纳米粉体，采用XRD、BET、XPS、紫外-可见漫反射谱(DRS)和表面光电压谱(SPS)等技术进行了表征；以亚甲基蓝(MB)的光催化降解为探针反应，评价了其光催化活性；探讨了Gd³⁺掺杂对TiO₂纳米粉体的光催化活性的影响机制。结果表明，TiO₂/Gd₂O₃纳米粒子对MB溶液的光催化活性提高到纯TiO₂的1.5倍。掺杂Gd³⁺可以强烈抑制TiO₂由锐钛矿相向金红石相的转变；阻碍TiO₂晶粒的生长；提高高温组织稳定性，改善粉体的表面织构特性；形成光生电子的浅势捕获陷阱，抑制e^-/h⁺复合，这些因素共同作用最终导致TiO₂/Gd₂O₃纳米粉体的光催化活性明显提高。XPS分析结果证实，掺杂Gd³⁺导致粉体的表面羟基含量降低。由于产生了量子尺寸效应，复合粉体的紫外吸收带边蓝移，光的吸收能力略有降低。     

Ce掺杂Bi2MoO6/TiO2纳米纤维异质结的制备及可见光催化性能

以静电纺丝技术制备的TiO₂纳米纤维为基质,通过溶剂热法制备了异质结型稀土Ce掺杂Bi₂MoO₆/TiO₂复合纳米纤维。利用X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、X射线光电子能谱（XPS）、透射电镜（TEM）、紫外-可见漫反射光谱（UV-Vis DRS）以及荧光光谱（PL）等分析测试手段对样品的物相、形貌和光学性能等进行表征。以罗丹明B为模拟有机污染物,研究了样品的可见光催化性能。结果表明：在稀土掺杂样品中,Ce离子进入Bi₂MoO₆晶格,部分取代Bi³⁺,导致晶胞膨胀,晶格畸变,形成缺陷;与TiO₂复合形成异质结,有利于光生电荷的产生、转移和有效分离,从而提高TiO₂纳米纤维的光催化活性。可见光照射180 min,罗丹明B的降解率达到95.1%。经5次循环光催化降解活性基本不变,样品具有良好的光催化稳定性。     

La3+掺杂CaFe2O4材料的制备及室温检测超低浓度甲醛

采用静电纺丝法成功制备了La³⁺掺杂CaFe₂O₄材料。通过X射线衍射、扫描电子显微镜和X射线光电子能谱对La³⁺掺杂CaFe₂O₄材料的结构和形貌进行了表征。随后，研究了La³⁺的掺杂量（质量分数）对CaFe₂O₄气敏性能的影响。研究表明，3% La³⁺掺杂CaFe₂O₄材料在室温下对100 μL·L^-1甲醛的响应最高（R_a/R_g=14.1）。更为重要的是，对甲醛的最低检测限低至0.1 nL·L^-1，并且响应/恢复时间仅为4.3 s/8.4 s。     

Ni控制掺杂TiO2薄膜的光电化学及光催化活性

采用溶胶-凝胶法通过分步控制工艺制备了镍离子不同掺杂方式的TiO₂薄膜。通过甲基橙的光催化降解动力学来表征其光催化活性。结果表明：镍离子非均匀掺杂在掺杂量0.5%时可以明显增强TiO₂的光催化活性，而均匀掺杂提高TiO₂的光催化活性较小。光电化学表征结果显示：镍离子非均匀掺杂TiO₂薄膜的瞬时光电流信号较强，说明其光生载流子易于生成且分离效果较好；循环伏安曲线表明，光照时Ni非均匀掺杂的TiO₂薄膜改变了体系的氧化还原电位，说明了薄膜内建电场的建立。基于半导体的P-N结原理探讨了镍离子非均匀掺杂TiO₂薄膜的光催化活性机理。     

Cr掺杂对K2La2Ti3O10光催化活性的影响

通过溶胶-凝胶法制备了层状钙钛矿结构的K₂La₂Ti₃O₁₀及Cr掺杂的K₂La₂Ti₃O₁₀，采用X-射线衍射(XRD)、紫外可见漫反射光谱(DRS)、X射线光电子能谱(XPS)等对K₂La₂Ti₃O₁₀及Cr掺杂K₂La₂Ti₃O₁₀进行了表征。以I^-为电子给体、分别在紫外和可见光辐射下研究了K₂La₂Ti₃O₁₀及Cr掺杂K₂La₂Ti₃O₁₀光催化分解水的产氢活性。采用第一性原理，计算了Cr掺杂对K₂La₂Ti₃O₁₀半导体能带结构和态密度的影响，从电子结构的变化揭示了掺杂引起光催化活性差异的原因。结果表明，Cr的掺入能够改善和提高K₂La₂Ti₃O₁₀的光解水的产氢活性；Cr改善和提高K₂La₂Ti₃O₁₀的光解水的产氢活性存在一个最佳的掺杂浓度；当Cr与Ti的物质量的比为0.02∶1时，紫外光催化分解水产氢速率为1 500 μmol·L^-1·h^-1，可见光催化分解水产氢速率为83.6 μmol·L^-1·h^-1，分别为K₂La₂Ti₃O₁₀掺杂改性前产氢速率的26和5倍。     

Bi2WO6/TiO2纳米管异质结构复合材料的多模式下的光催化活性比较

以TiO₂纳米管为模板,采用多组分自组装结合水热法制备Bi₂WO₆/TiO₂纳米管异质结构复合材料。通过多种技术如X射线衍射（XRD）,X射线光电子能谱（XPS）,N₂吸附-脱附,扫描电镜（SEM）,高分辨透射电镜（HRTEM）和紫外可见漫反射吸收光谱（UV-Vis DRS）考察所制备样品的组成、结构、形貌、光吸收和电子性质。Bi₂WO₆纳米片或纳米粒子分布在TiO₂纳米管上,形成异质结构。随后,通过在紫外、可见和微波辅助光催化模式下降解染料罗丹明B（RhB）来评价复合催化剂的光催化活性。与TiO₂纳米管和Bi₂WO₆相比,Bi₂WO₆/TiO₂-35纳米管在多模式下表现出更优异的光催化活性。与紫外和可见降解模式相比,Bi₂WO₆/TiO₂-35纳米管在微波辅助光催化模式下对RhB的降解效率最高。这种增强的光催化活性源于适量Bi₂WO₆的引入、纳米管独特的形貌特征和降解模式所引起的增强的量子效率。降解过程中的活性物种被证明是h⁺,·OH和·O₂^-自由基。而且,在微波辅助光催化模式下,可产生更多的·OH和·O₂^-自由基。     

Bi2WO6/TiO2纳米管异质结构复合材料的多模式下的光催化活性比较

以TiO₂纳米管为模板,采用多组分自组装结合水热法制备Bi₂WO₆/TiO₂纳米管异质结构复合材料。通过多种技术如X射线衍射（XRD）,X射线光电子能谱（XPS）,N₂吸附脱附,扫描电镜（SEM）,高分辨透射电镜（HRTEM）和紫外可见漫反射吸收光谱（UV-Vis DRS）考察所制备样品的组成、结构、形貌、光吸收和电子性质。Bi₂WO₆纳米片或纳米粒子分布在TiO₂纳米管上,形成异质结构。随后,通过在紫外、可见和微波辅助光催化模式下降解染料罗丹明B（RhB）来评价复合催化剂的光催化活性。与TiO₂纳米管和Bi₂WO₆相比,Bi₂WO₆/TiO₂-35纳米管在多模式下表现出更优异的光催化活性。与紫外和可见降解模式相比,Bi₂WO₆/TiO₂-35纳米管在微波辅助光催化模式下对RhB的降解效率最高。这种增强的光催化活性源于适量Bi₂WO₆的引入、纳米管独特的形貌特征和降解模式所引起的增强的量子效率。降解过程中的活性物种被证明是h⁺,·OH和·O₂^-自由基。而且,在微波辅助光催化模式下,可产生更多的·OH和·O₂^-自由基。     

掺氮TiO2可见光降解有机污染物的比较研究

用溶胶-凝胶法制备了不同掺杂量的N/TiO₂复合纳米粉末, 采用X射线衍射(XRD)、扫描透镜(TEM)、紫外-可见反射吸收光谱(UV-vis)对催化剂进行了初步表征. 通过X射线光电子能谱(XPS)、元素分析仪(EA)测定其含氮量. XPS分析结果显示TiO₂晶格中的氧被氮原子取代, N/TiO₂表面存在Ti^3＋离子; 紫外-可见反射吸收光谱测得不同掺杂量的N/TiO₂的禁带宽度(E_g), 推测在TiO₂价带上方生成了由N诱导产生的中间带, 当氮、钛摩尔比为0.0880时N/TiO₂的E_g最小, 为2.50 eV. 在可见光下, 以酸性桃红(SRB)和无色小分子对氯苯酚(4-CP)作为可见光活性实验的探针反应, 确定了最佳掺杂比为n_N/n_Ti＝0.0880. 结果表明, 最佳掺杂量下N/TiO₂能显著降解SRB和4-CP, 通过测定ESR, IR, TOC, COD, 重点比较了TiO₂在掺杂N前后在降解SRB和4-CP时的差异, 包括氧化物种、矿化率、最终产物等, 证明在可见光下, N/TiO₂的降解机理为电子从独立的N 2p轨道激发到Ti 3d轨道, 产生羟基自由基等氧化物种, 达到降解有机物的目的.     

La和Cu掺杂对纳米TiO2光生电荷性质的影响及其与光催化活性的关系

采用溶胶-水热法制备了未掺杂的和分别掺杂1%(摩尔浓度)La的、Cu的及La和Cu共掺杂的纳米TiO₂, 并主要利用表面光电压谱(SPS)和光致发光光谱(PL)等技术考察了掺杂对纳米TiO₂表面光生电荷性质的影响, 也探讨了其性质与光催化活性的关系. 结果表明: La的掺杂能够抑制TiO₂相变, 同时其不仅促进TiO₂光生载流子分离, 而且丰富了束缚表面态. 但是Cu的掺杂却与La的作用相反. 这些解释了在光催化氧化降解罗丹明B过程中, La掺杂有利于TiO₂光催化活性的提高, 而Cu掺杂对光催化反应是不利的. 此外, La和Cu共掺杂并没有体现出协同效应.     

原位红外光谱法研究Gd3+掺杂TiO2光催化降解乙烯性能

随着环境污染的日益严重,寻求环境友好、节能、高效的污染治理技术已成为各国科学研究者致力的目标。以TiO2半导体为主的多相光催化氧化技术因与传统污染处理技术相比具有许多优点而倍受青睐,但是,目前以TiO2为基础的光催化技术还存在量子效率低、太阳能利用率低等技术难题[1,2     

Microstructures and photocatalytic properties of Ag and La surface codoped TiO2 films prepared by sol–gel method

Ag⁺ and La³⁺ surface codoped TiO₂ films were successfully prepared by the improved sol–gel and doping processes. The as-prepared specimens were characterized using differential thermal analysis-thermogravimetry (DTA–TG), X-ray diffraction (XRD), high-resolution field emission scanning electron microscopy (FE-SEM), X-ray energy dispersive spectroscopy (EDS), Brunauer–Emmett–Teller (BET) surface area, Photoluminescence spectrum (PL) and UV–vis diffuse reflectance spectroscopy. The photocatalytic activities of the films were evaluated by degradation of an organic dye in aqueous solution. The results of XRD, FE-SEM and BET analyses indicated that the TiO₂ films were composed of nano-particles or aggregates with a size of less than 10 nm. With the codoping of Ag⁺ and La³⁺, TiO₂ films with high photocatalytic activity and clearly responsive to the visible light were obtained. The improvement mechanism by ions doping was also discussed.     

The effects of La doping on luminescence properties of PbWO4 single crystal

X-ray-excited luminescence (XEL), thermoluminescence (TL), photoluminescence under excitation of UV light and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) measurements were conducted on PbWO₄ (PWO) single crystals doped with La³⁺ at a series of concentration levels. With the increase of doping levels, the intensity of PWO in the XEL or the excitation-emission spectra was found to decrease accordingly, especially in the case of heavy doping. TL peaks in the range from room temperature to 200°C disappeared after the doping with La³⁺. A splitting of the La3d XPS peak in the heavy La³⁺-doped samples was observed and proposed to be responsible for that. At a high doping level, La³⁺ would occupy W-sites besides Pb-sites and thus induce a self-compensation via pairs [(La_W³⁺)″′−(La_Pb³⁺)^•]−(V_O)^•• or clusters [3(La_Pb³⁺)^•−(La_W³⁺)″′], where nonradiative recombination was previously reported to occur. The mechanism of the influence on luminescence was also discussed in this paper.     

Photocatalytic degradation of methylene blue on Fe3+-doped TiO2 nanoparticles under visible light irradiation

Fe³⁺-doped TiO₂ composite nanoparticles with different doping amounts were successfully synthesized using sol-gel method and characterized by X-ray diffraction (XRD), transmission electron microscopy (TEM) and ultravioletvisible spectroscopy (UV-Vis) diffuse reflectance spectra (DRS). The photocatalytic degradation of methylene blue was used as a model reaction to evaluate the photocatalytic activity of Fe³⁺/TiO₂ nanoparticles under visible light irradiation. The influence of doping amount of Fe³⁺ (ω: 0.00%–3.00%) on photocatalytic activities of TiO₂ was investigated. Results show that the size of Fe³⁺/TiO₂ particles decreases with the increase of the amount of Fe³⁺ and their absorption spectra are broaden and absorption intensities are also increased. Doping Fe³⁺ can control the conversion of TiO₂ from anatase to rutile. The doping amount of Fe³⁺ remarkably affects the activity of the catalyst, and the optimum efficiency occurs at about the doping amount of 0.3%. The appropriate doping of Fe³⁺ can markedly increase the catalytic activity of TiO₂ under visible light irradiation. __________ Translated from Journal of Northwest Normal University (Natural Science), 2006, 42(6): 55–56 [译自: 西北师范大学学报(自然科学版)]     

不同浓度Sn4+离子掺杂TiO2的结构、性质和光催化活性

采用溶胶-凝胶法制备出纯TiO₂和不同浓度Sn⁴⁺离子掺杂的TiO₂光催化剂(TiO₂-Snx%, x%代表Sn⁴⁺离子掺杂的TiO₂样品中Sn⁴⁺离子摩尔分数). 利用X 射线衍射(XRD)、X 射线光电子能谱(XPS)和表面光电压谱(SPS)确定了TiO₂-Snx%催化剂的晶相结构和能带结构, 结果表明: 当Sn⁴⁺离子浓度较低时, Sn⁴⁺离子进入TiO₂晶格, 取代并占据Ti⁴⁺离子的位置, 形成取代式掺杂结构(Ti_1-xSn_xO₂), 其掺杂能级在导带下0.38 eV处; 当Sn⁴⁺离子浓度较高时, 掺入的Sn⁴⁺离子在TiO₂表面生成金红石SnO₂, 形成TiO₂和SnO₂复合结构(TiO₂/SnO₂), SnO₂的导带位于TiO₂导带下0.33 eV处. 利用瞬态光电压谱和荧光光谱研究了TiO₂-Snx%催化剂光生载流子的分离和复合的动力学过程, 结果表明, Sn⁴⁺离子掺杂能级和表面SnO₂能带存在促进光生载流子的分离, 有效地抑制了光生电子与空穴的复合; 然而, Sn⁴⁺离子掺杂能级能更有效地增加光生电子的分离寿命, 提高了光生载流子的分离效率, 从而揭示了TiO₂-Snx%催化剂的光催化机理.     

La7O6(BO3)(PO4)2:Eu3+/Tb3+荧光材料的制备及其光致发光性能

采用优化的高温固相方法制备了稀土离子Eu³⁺和Tb³⁺掺杂的La₇O₆（BO₃）（PO₄）₂系荧光材料,并对其物相行为、晶体结构、光致发光性能和热稳定性进行了详细研究。结果表明,La₇O₆（BO₃）（PO₄）₂：Eu³⁺材料在紫外光激发下能够发射出红光,发射光谱中最强发射峰位于616 nm处,为⁵D₀→⁷F₂特征能级跃迁,Eu³⁺的最优掺杂浓度为0.08,对应的CIE坐标为（0.610 2,0.382 3）;La₇O₆（BO₃）（PO₄）₂：Tb³⁺材料在紫外光激发下能够发射出绿光,发射光谱中最强发射峰位于544 nm处,对应Tb³⁺的⁵D₄→⁷F₅能级跃迁,Tb³⁺离子的最优掺杂浓度为0.15,对应的CIE坐标为（0.317 7,0.535 2）。此外,对2种材料的变温光谱分析发现Eu³⁺和Tb³⁺掺杂的La₇O₆（BO₃）（PO₄）₂荧光材料均具有良好的热稳定性。     

具有高可见光催化活性的Ti3+和碳共掺杂改性的TiO2光催化剂

以乙醇为碳源,采用操作简单的真空活化法一步实现对TiO₂的Ti³⁺与C的共掺杂改性,TiO₂用X衍线衍射、紫外-可见光谱、顺磁共振、X射线光电子能谱和红外光谱等手段表征了催化剂的结构、组成、光学性质. 结果表明, 经Ti³⁺与C共掺杂改性后的催化剂表现出高的可见光降解甲基橙活性. 复合在催化剂表面的石墨可以增强催化剂对可见光的响应范围,而Ti³⁺与氧缺陷形成的掺杂能级则可以提高光生电子的迁移效率. 实验表明,两者之间的协同作用促进了其可见光催化活性的提高.     

Preparation and characterization of low-amount Yb3+-doped TiO2 photocatalyst

The nanoparticles of Yb³⁺-doped (0.125 wt.%) and pure TiO₂ were prepared by an acid-catalyzed sol-gel method and characterized by X-ray diffraction, X-ray photoelectron spectroscopy, UV-Vis diffuse reflectance spectroscopy, and surface photovoltage spectroscopy; the specific surface of the samples was measured using the Brunauer-Emmett-Teller (BET) method. The photocatalytic degradation of methylene blue in aqueous solution was used as a probe reaction to estimate the photocatalytic activity of the prepared nanoparticles. The photocatalytic activity of Yb³⁺/TiO₂ composite nanoparticles is much higher than that of pure TiO₂. A low amount of Yb³⁺ in TiO₂ can inhibit the anatase-rutile phase transformation of TiO₂, prevent grain growth increasing the specific surface area, and favor the high-temperature stabilization of the pores. According to the surface voltage spectroscopy data, Tb³⁺-doping prevents recombination of photoinduced electrons and holes and improves the light absorption capacity of the particle surface. Published in Russian in Izvestiya Akademii Nauk. Seriya Khimicheskaya, No. 10, pp. 1680–1685, October, 2006.