Li+掺杂纳米TiO2的制备及其光催化性能研究

采用溶胶-凝胶法和浸渍法制备了Li⁺掺杂纳米TiO₂光催化剂,并用XRD和TEM等技术进行了表征;用pH值漂移法测量了催化剂的零电位pH值(pHpzc).结果表明,500℃煅烧制得的催化剂均为锐钛矿相;Li⁺的掺杂抑制了TiO₂粒子的生长,提高了催化剂的分散性;催化剂的零电位pH值为6.6—8.1,其值取决于Li⁺的浓度和掺杂方式.分别以紫外光和太阳光为光源,孔雀石绿和甲基橙为降解物评价了催化剂的光催化活性;并用气相色谱测试了污染物降解产生的CO₂的含量.结果显示,对孔雀石绿的降解,浸渍法和溶胶-凝胶法掺Li⁺都能有效提高TiO₂的光催化活性,但浸渍法比溶胶-凝胶法效果更好,催化活性最高的为浸渍法制备的5%(摩尔分数)Li⁺掺杂TiO₂,其在紫外光和太阳光下的光催化活性分别比纯TiO₂提高了6—8倍和9—10倍;对甲基橙的降解,除溶胶-凝胶法制备的3%(摩尔分数)Li⁺掺杂TiO₂能稍提高光催化活性外,其它Li⁺的掺杂都不同程度降低了TiO₂的光催化活性;随污染物降解率的增加,最终降解产物CO₂的含量增加.实验结果表明,Li⁺掺杂改变了催化剂表面的电荷状态从而改变了催化剂的零电位pH值是造成催化剂降解不同污染物具有不同催化活性的主要原因.     

Sn4+掺杂TiO2中空纤维材料的制备及光催化性能

以Ti(OCH2CH2CH2CH3)4为钛源,脱脂棉花纤维为模板,利用浸渍-热转化两步法制备了具有中空结构的Sn4+掺杂TiO2光催化纤维材料(Sn4+/TiO2),利用X-射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和紫外-可见光谱(UV-vis)等技术对其晶体结构、形貌、尺寸、光吸收特性等进行了表征.以亚甲基蓝(MB)溶液的脱色降解为模型反应,考察了样品Sn4+/TiO,在太阳光下的光催化性能.结果表明:利用该法制得的Sn4+/TiO2材料具有中空纤维结构;煅烧温度影响材料Sn4+/TiO2的相结构、组成、尺寸、形貌以及催化性能;Sn4+的掺入能够显著改善TiO2在太阳光条件下的催化性能,600℃煅烧2h所得的Sn4+掺杂量x=0.29％的TiO2中空纤维材料具有最佳的光催化活性,太阳光下2h即可使MB溶液的脱色降解率达97.28％;重复使用5次仍可使MB溶液的脱色降解率保持在90％以上,且该催化剂材料易于离心分离去除.     

模拟太阳光下稀土Gd掺杂TiO2纳米晶的光催化性能研究

以甲基橙的光催化降解为探针反应,采用氙灯模拟自然条件下的太阳光,评价了通过酸催化的溶胶-凝胶法制备的稀土Gd掺杂改性TiO₂纳米晶的光催化活性及对甲基橙水溶液TOC的去除效果.运用XRD和UV-Vis DRS表征技术考察了Gd掺杂对纳米TiO₂的微晶尺寸、晶体结构与光学性能的影响.结果表明,Gd掺杂可以抑制TiO₂由锐钛矿相向金红石相的转变,阻碍TiO₂晶粒增长,使TiO₂的光吸收带边发生蓝移且有利于对可见光的吸收,从而使Gd掺杂TiO₂在模拟太阳光下光催化降解甲基橙的能力得到明显提高,但样品对甲基橙水溶液TOC的去除效果要滞后于其对色度的去除.     

铕掺杂TiO2的制备及其可见光光催化性能研究

采用溶胶-凝胶法制备了不同铕(Eu)掺杂量的TiO₂纳米颗粒(Eu-TiO₂),利用透射电镜(TEM),X射线光电子能谱(XPS),X射线衍射(XRD)及紫外可见漫反射(UV-Vis DRS)等方法对Eu-TiO₂进行了物理特性的初步表征.结果表明:与未掺杂纳米TiO₂比较,Eu-TiO₂禁带宽度变窄,具有可见光光催化活性.在可见光下(λ≥420 nm)照射下,以光催化降解染料罗丹明B(Rhodamine B,RhB)为目标反应,探讨了Eu-TiO₂不同制备条件对RhB降解光催化活性的影响,优化得到制备高活性Eu-TiO₂最佳pH为3、掺杂比例(n_Eu/n_Ti)为0.05%、煅烧温度为500 ℃.研究了可见光照射下Eu-TiO₂降解RhB和无色有机小分子水杨酸(SA)光催化反应条件及降解特性,RhB的12 h深度氧化矿化率为60.2%,SA的8 h降解率达到100%.通过跟踪测定可见光下Eu-TiO₂光催化反应过程中氧化物种的变化,研究了可见光激发Eu-TiO₂光催化反应机理,表明其光催化反应主要涉及羟基自由基(·OH)历程.     

三维网状Dy3+:YVO4/TiO2复合纤维的制备及光催化产氢性能

以电纺TiO₂纳米纤维为基质, 柠檬酸为软模板, 采用一步水热法制备了具有三维立体网状结构的稀土Dy ³⁺掺杂YVO₄/TiO₂复合纤维. 通过X射线衍射、 扫描电子显微镜、 X射线光电子能谱、 N₂吸附-脱附、 紫外-可见漫反射光谱及荧光光谱等手段对材料的组成、 表面形貌和性能进行表征, 以光分解水产氢实验考察其光催化活性. 结果表明, Dy ³⁺∶YVO₄纳米枝与TiO₂纳米纤维相互交联构筑的纳米纤维网具有大比表面积, 可提供更多活性位点, 改善了多相光催化反应的传递过程; 稀土Dy ³⁺掺杂的YVO₄与TiO₂复合形成异质结相互促进, 在拓宽光谱响应范围、 提高太阳光利用率的同时使光生电子-空穴对得到较好分离, 从而提高了样品的光催化活性. 模拟太阳光照射下, Dy ³⁺∶YVO₄/TiO₂复合纤维光催化产氢速率达到8.63 mmol· h ^-1·g ^-1, 是纯TiO₂纳米纤维的10倍.     

RE-B共掺杂片层TiO2的合成及其光催化性能

采用溶胶-凝胶法,利用钛酸四丁酯、硝酸镧、硝酸铈和硼酸为原料,对TiO₂光催化剂进行稀土-B(RE-B)的共掺杂改性制备和性能研究。采用X-射线衍射法(XRD)、冷场发射扫描电子显微镜(SEM)、X射线光电子能谱(XPS)、紫外-可见吸收(UV-Vis)光谱和荧光(PL)光谱对制得样品的相组成、表面形貌结构、表面元素组成、光响应范围及带隙能和电子-空穴的复合情况进行了初步分析。结果表明,所制掺杂TiO₂的组成均为锐钛矿型,掺杂使晶格发生了较大畸变,且细晶粒由未掺杂的27 nm减小到RE-B-TiO₂的10 nm,形貌为片层状不规则堆放状态存在。XPS结果表明掺杂元素有效进入二氧化钛, PL谱显示共掺杂可有效延长光催化剂的载流子寿命。掺杂后吸收边均红移, La-B-TiO₂由TiO₂的405 nm移动到466 nm,相应地禁带宽度减小了0.4 eV。光催化实验表明:2 h内降解亚甲基蓝(MB)时掺杂能够同时提高紫外和可见光下二氧化钛的光催化效率,而共掺杂的降解效果又优于单掺杂, La-B-TiO₂紫外光下的降解率达到80.67%,为同等条件下纯TiO₂的2.7倍,可见光下的降解率为74.78%。     

Fe3+掺杂TiO2光催化纤维材料的制备及表征

以棉花纤维为模板制备了一系列Fe3+掺杂的、具有中空纤维结构的TiO2光催化材料(Fe3+/TiO2), 利用热重分析(TG)、扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、zeta电位、红外光谱(IR)和紫外-可见光谱(UV-Vis)等技术对其形貌、晶体结构及表面结构、光吸收特性等进行了表征. 以亚甲基蓝(MB)溶液的脱色降解为模型反应, 考察了不同Fe3+掺杂量的样品在太阳光下的光催化性能. 结果表明, 用模板法制备的Fe3+/TiO2中空纤维结构材料表面存在大量纳米微粒(平均尺寸约12 nm); Fe3+可能均匀分散于锐钛矿结构的TiO2中, 部分取代Ti4+的晶格位置, 既拓宽了TiO2的光谱响应范围, 又形成了TiO2晶体结构的缺陷, 使其表面带负电荷. 在太阳光条件下, 该纤维结构材料较纯TiO2对MB溶液具有更好的光催化脱色降解效果, 且Fe3+的掺入量显著影响该纤维材料的催化性能; 当Fe3+掺杂量为0.15%(w), 在500 ℃焙烧2 h所得中空纤维材料的催化性能最好, 2 h即可使MB溶液的脱色降解率达93%; 重复使用5次仍可使MB溶液的脱色降解率保持在90%以上, 且该催化剂材料易于离心分离去除. 因此, 以该模板合成法, 通过Fe3+的掺杂有望使TiO2成为一种低或无能耗、高活性的绿色环保型催化材料.     

低量La3+掺杂S-TiO2光催化剂的制备、表征及其光催化活性

采用溶胶-凝胶-浸渍法制备了La³⁺/S-TiO₂纳米光催化剂,通过XRD、BET、XPS、UV-Vis等手段进行了表征.以甲基橙溶液为光催化降解反应的模型化合物,考察了光催化剂的活性,探讨了低量La³⁺掺杂对TiO₂纳米粒子光催化活性的影响机制.实验结果表明:S改性TiO₂后明显提高了TiO₂纳米粒子的光催化活性,而La³⁺掺杂S-TiO₂后,进一步提高了TiO₂纳米粒子的光催化活性,La³⁺的最佳掺杂量(相对于TiO₂的质量分数)为0.369%;La³⁺/S-TiO₂(ω(La³⁺)=0.369%)为纳米光催化剂时,甲基橙的脱色率达到92.4%(光照120min);XRD和BET分析表明,低量La³⁺掺杂抑制了TiO₂由锐钛矿向金红石的转变,阻碍了TiO₂晶粒的生长,提高了TiO₂的比表面积;XPS分析表明,S、La³⁺掺杂可以导致粉体的表面羟基含量增加,掺杂S以S⁶⁺形式置换TiO₂晶格中的Ti⁴⁺;UV-Vis分析表明,光催化剂La³⁺/S-TiO₂比纯TiO₂具有较强的紫外光吸收性能.与纯TiO₂相比,La³⁺掺杂TiO₂纳米粒子光催化氧化活性的提高应归因于La³⁺掺杂增加了表面羟基含量,增大了比表面积,增强了样品表面的紫外光吸收能力.     

CeO2/TiO2复合纳米纤维的制备及光催化性能研究

采用静电纺丝技术和水热合成法制备了CeO₂/TiO₂复合纳米纤维. 利用X射线衍射(XRD)、拉曼光谱(Raman)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)和比表面积测定(BET)等分析测试手段对样品的形貌及结构进行了表征, 并以罗丹明B的脱色降解为模式反应, 考察了样品的光催化性能. 结果表明: CeO₂纳米粒子均匀地生长在TiO₂纳米纤维表面, 形成了异质结构的CeO₂/TiO₂复合纳米纤维光催化材料. 通过改变碱源, 可以得到不同形貌的CeO₂. CeO₂的存在增加了TiO₂纳米纤维的比表面积, 有效地实现TiO₂光生电子和空穴的分离, 增强了体系的量子效率, 与纯TiO₂纳米纤维相比光催化活性明显提高. 初步探讨了异质结的形成机理.     

金属Nd增强TiO2高硅氧纤维薄膜光催化性能及机理研究

用浸渍-提拉法在高硅氧玻璃纤维网格布上制备了具有优异光催化性能的金属Nd/TiO₂薄膜,甲基橙光催化降解实验表明Nd的掺杂对TiO₂催化剂薄膜的光学性能有明显的促进作用,当Nd的掺杂量为3 wt%时,表现出最优的光催化降解效果。采用XRD、SEM、UV-vis漫反射等分析方法对Nd/TiO₂薄膜进行表征分析,探讨光催化机理。结果表明:适量掺杂金属Nd能够细化TiO₂薄膜晶粒,得到分布致密均匀的锐钛矿型TiO₂薄膜;同时使TiO₂薄膜的拉曼和紫外可漫反射峰位红移,薄膜的禁带宽度从原来的3.15 eV减小到2.77 ev,促进了对紫外光的吸收,拓宽了TiO₂薄膜的光响应范围,增强了TiO₂薄膜的光催化活性。