纳米TiO2-x光催化膜中的缺陷结构与性能关系初探

半导体TiO2由于具有较大的禁带宽度(TiO2Eg=3.2eV),常用作光化学降解反应的催化剂.利用溶胶-凝胶技术(Sol-Gel)制备薄膜型光催化剂,特别是在石英板或石英反应管壁上制备纳米级TiO2光催化剂膜已成为这一领域的研究热点[1].制备高活性光催化剂的突出问题是如何增加光生电子与空穴的产额,减少它们的复合几率,同时提高光催化膜的表面吸附能力.本实验采用溶胶-凝胶法制备出纳米级无机非整比TiO2-x膜,经过可控气氛热处理后,可在膜表面形成较多亚稳相氧空位(缺陷),为催化剂膜表面提供了更多的吸附中心和反应活性位,因此表现出较高的光催化反应活性[2].     

Fe3+-TiO2/SiO2薄膜催化剂的结构对其光催化性能影响

以硅胶为载体,采用溶胶-凝胶法制备了掺杂不同量Fe3+的TiO2光催化剂(Fe3+-TiO2/SiO2),以氙灯为光源,罗丹明B为目标降解物,对其光催化活性进行了研究.结果表明,Fe3+-TiO2/SiO2比TiO2纳米粉有更好的催化活性,Fe3+的最佳掺入量为0.03％.罗丹明B在粉体和膜催化剂的作用下遵循不同的光催化反应机理.根据XRD,SEM,Raman,XPS和FTIR的表征结果可认为,TiO2在SIO2表面薄膜化和Ti-O-Si键的形成是催化活性提高和降解机理不同的主要原因.     

不锈钢金属丝网上TiO2纳米薄膜光催化剂的研究

以钛酸正丁酯为原料,采用溶胶-凝胶法在金属丝网上制备了TiO2薄膜光催化剂.利用SEM,TEM,AES和Raman光谱研究了薄膜的表面及结构特性.以甲醛的光催化氧化反应为试验反应,考察了提拉次数、PEG浓度和焙烧温度对TiO2薄膜光催化剂活性的影响.将TiO2薄膜的结构特性与其光催化活性进行了关联.结果表明,在前驱体溶胶中加入10%PEG400,提拉3次并于400℃下焙烧可制得具有中孔结构和结晶完好的锐钛矿型TiO2薄膜,并具有最佳的光催化活性.     

水热法制备TiO_2纳米线薄膜的光生阴极保护性能

应用水热法在钛箔表面制备TiO2纳米线薄膜,采用场发射扫描电子显微镜、X射线衍射和紫外-可见分光光度法对薄膜进行表征,用电极电位和电化学阻抗谱考察TiO2光生阴极保护性能.结果表明:薄膜由纵横交错的锐钛矿型TiO2纳米线组成,纳米线的直径约10nm.在150℃下反应6h生成的TiO2纳米线薄膜在0.3mol·L-1 Na2SO4溶液和0.3mol·L-1 Na2SO4+0.5mol·L-1 HCOOH混合溶液中对与TiO2薄膜耦连的403不锈钢均有良好的阴极保护效应.TiO2膜所在溶液中含有HCOOH时,可使耦连的403不锈钢在0.5mol·L-1 NaCl溶液中电极电位负移约545mV,界面反应电阻显著变小,表明电解质溶液加入HCOOH可以增强TiO2纳米线薄膜对403不锈钢的光生阴极保护效应.     

三维有序结构In掺杂TiO_2薄膜的可见光催化活性

采用自组装生长聚苯乙烯胶体模板和溶胶-凝胶法,制备出三维(3D)有序结构In掺杂TiO2(IO-TiO2-In)薄膜可见光催化剂.光催化实验证明,IO-TiO2-In薄膜降解甲醛的可见光活性是TiO2和三维有序结构TiO2(IOTiO2)薄膜的5倍.利用X射线电子衍射(XRD)谱、X射线光电子能谱(XPS)、扫描电子显微镜(SEM)和紫外-可见(UV-Vis)漫反射吸收光谱确定了催化剂的晶相结构、表面微结构和能带结构.结果表明,IO-TiO2-In薄膜具有锐钛矿型三维有序结构,与TiO2相比,增加了比表面积,提高光的利用率;掺入的In离子在薄膜表面形成In2O3和O-In-Clx(x=1,2)物种,既增强可见光的吸收,又有效地促进了光生载流子的分离,提高了光生载流子在固/气界面参加光催化反应的利用率,使催化剂的可见光催化活性显著提高.     

N掺杂TiO_2纳米粒子表面光生电荷特性与光催化活性

以尿素为氮源,采用水热法制备了不同N掺杂量的TiO2(N-TiO2)光催化剂.利用X射线衍射(XRD),紫外-可见漫反射光谱(UV-Vis DRS),X射线光电子能谱(XPS)及荧光(PL)光谱等技术对其进行了系统的表征.以罗丹明B(RhB)和甲基橙(MO)溶液的脱色降解为模型反应,分别考察了N-TiO2光催化剂在紫外和可见光区的光催化活性.利用表面光伏(SPV)和瞬态光伏(TPV)技术研究了N-TiO2纳米粒子表面光生电荷的产生和传输机制,并探讨了光生电荷与光催化活性之间的关系.结果显示,随着N含量的增大,TiO2表面光伏响应阈值红移,可见光部分光电压响应强度逐渐增强,瞬态光伏响应达到最大值的时间亦有着不同程度的延迟.这表明适量的N掺杂能够提高TiO2纳米粒子中光生载流子的分离效率,相应地延长载流子的传输时间,增加光生电荷的寿命,从而促进其光催化活性;而过量的N掺杂则增加了TiO2纳米粒子中光生载流子的复合中心,抑制其光催化活性.     

光电化学水氧化用多孔单晶金红石TiO2纳米棒阵列光阳极的设计和构建

光电化学电池(如染料敏化太阳能电池、量子点敏化太阳能电池以及光电化学水分解电池)是实现太阳能转化及存储的有效手段之一.其中,光电极是光电化学电池的核心组成部分,它集光吸收、光生电荷输运及转移等决定光转化效率的关键过程于一身,因此构筑高活性半导体光电极以实现高效太阳能转化利用引起研究者广泛关注.多孔TiO2纳米颗粒堆垛薄膜光阳极因具有大的比表面积,可提供更多的染料(量子点)担载和反应活性位点,在光电化学电池中表现出优异活性而被广泛研究.然而, TiO2纳米颗粒间大量存在的晶界对光生电荷有较强的散射作用,降低了光生电荷的收集效率.英国牛津大学Snaith研究小组利用模板辅助水热过程首次获得了(001)晶面占优的多孔单晶锐钛矿TiO2微米颗粒,这种多孔单晶TiO2微米颗粒在具有大比表面积的同时,其单晶结构还能有效去除晶界对电荷的散射作用,因而具有优异的电荷输运特性.利用这种多孔单晶TiO2微米颗粒组建的光阳极用于染料敏化太阳能电池中,展现出优异的太阳能光电转化性能.受该工作启发,各种形貌的多孔单晶TiO2微米颗粒作为光催化剂和光电化学分解水用光阳极材料被广泛研究,并表现出优异活性.在单晶微米颗粒堆垛成的薄膜光电极中,虽然单个单晶微米颗粒中晶界对电荷的散射作用被有效抑制,但是单晶颗粒间的晶界仍然存在并影响光生电荷的收集效率.为了彻底抑制晶界对光生电荷的散射作用,每个单晶颗粒都应该贯穿整个薄膜,例如一维TiO2纳米棒单晶阵列薄膜.虽然一维单晶阵列薄膜能够有效提高光生电荷的收集效率,但相对于多孔薄膜具有较小的比表面积,限制了担载染料(量子点)和反应位点的数量.为了增大TiO2单晶纳米棒阵列薄膜的比表面积,目前主要的手段包括调控纳米棒长径比、表面修饰TiO2纳米颗粒以及二次生长构建TiO2枝晶阵列.本文首次提出通过制备多孔单晶TiO2纳米棒单晶阵列薄膜来获得高比表面积和高光生电荷收集效率的光阳极,提高光电化学电池的效率.在透明导电薄膜(FTO)表面利用水热生长TiO2纳米棒阵列薄膜之前,预先在FTO基体上沉积一层SiO2球密堆模板, TiO2纳米棒单晶阵列在从FTO表面向上生长过程中,会将SiO2球模板包裹进TiO2纳米棒中,再通过碱溶液将SiO2球模板溶解,首次在FTO基体上原位生长出多孔单晶TiO2纳米棒阵列薄膜.将所得多孔单晶金红石TiO2纳米棒阵列薄膜作为光电化学分解水电池光阳极,其光电化学分解水活性相对于实心单晶金红石TiO2纳米棒阵列提高了2.6倍.多孔单晶金红石TiO2纳米棒阵列光阳极性能的提升可归因于：(1)多孔结构赋予多孔单晶金红石TiO2纳米棒阵列薄膜更大的比表面积,可提供更多的反应活性位点;(2)多孔结构能够有效缩短单晶金红石TiO2纳米棒中光生电荷体相输运距离,提高光生电荷的收集效率;(3)多孔结构通过对光多次反射吸收可有效增强光吸收,产生更多光生电荷参与水分解反应;(4)在制备过程中引入Si掺杂,导致多孔单晶金红石TiO2纳米棒带隙扩大了0.1 eV,带隙增大归因于导带位置负移0.1 eV,光生电子具有更强的还原能力,光电流起始电位相应负移约0.1 V.     

镍离子表面处理对二氧化钛光催化活性的影响

采用溶胶-凝胶法制备出纳米TiO2和TiO2-Ni催化剂. 光催化降解对氯苯酚实验证明, TiO2-Ni催化剂的紫外、可见光催化活性均高于TiO2. FTIR和Raman结果表明, Ni2+离子被化学吸附在TiO2表面形成ONiOO表面物种. SPS的结果表明, TiO2-Ni表面ONiOO物种的表面态能级在价带上方2.84 eV. 该能级既能产生可见光响应, 又有效地促进了光生载流子的分离, 使催化剂紫外、可见光催化活性提高.     

TiO_2纳米管阵列的制备及其对316不锈钢光生阴极保护作用的研究

应用直接电化学阳极氧化法,于含氟电解液中,在纯钛表面制备一层整齐有序的TiO2纳米管阵列.扫描电子显微镜(SEM),X射线衍射(XRD)表征该纳米管阵列的形貌及晶体结构,光电化学联用系统研究其光电响应特性及对316L的光生阴极保护作用.结果表明:以TiO2纳米管阵列膜作为光生阳极时,在紫外光区(λ<387nm)有显著增强的光生电流响应,并对316不锈钢有较好的光生阴极保护作用.暗态下,光生电极电位仍可维持较长的一段时间,继续起到阴极保护作用.     

具有高光催化活性的介孔单晶TiO2薄膜的制备

光催化技术在常温下能够直接利用太阳能来驱动反应, 已成为一种理想的环境污染治理和洁净能源生产技术. 但是比较多的限制条件阻碍了光催化发展和实际应用, 如何有效解决这些限制因素成为光催化技术走向工业化应用必须解决的问题. 目前光催化材料研究存在的问题主要包括: (1)研究工作主要集中的粉体催化剂存在分离困难、难以重复利用的缺点, 开发与基底结合牢固的薄膜材料是十分必要的; (2)光催化材料本身的光响应范围影响光催化材料的应用, 拓宽催化剂材料的光吸收范围是亟待解决的; (3)光生电子和空穴的复合问题是影响光催化剂催化活性的主要因素之一, 很多方法被用来阻止电子-空穴对的复合, 如: 金属和非金属的掺杂、贵金属修饰、异质结、新型催化剂结构的设计等, 如何设计促进催化剂光生电子和空穴的分离成为光催化技术应用的重要问题.介孔单晶TiO2通过自组装的方法被制备, 成为TiO2的一种新结构材料. 介孔单晶TiO2结合了介孔材料的大比表面积、单晶材料的电荷传输快等优点, 对于光催化性能有了很大的提高. 目前介孔单晶TiO2主要是以粉体的形式存在, 但是粉体TiO2的应用受到多方面的影响, 如: 难回收不易重复利用, 与电催化结合难, 不能借助电催化提高电荷分离效率等. TiO2薄膜能够解决粉体的不足, 近年来, TiO2光催化薄膜得到广泛的研究, TiO2薄膜的制备方法很多, 主要有液相制备方法、物理气相沉积法、化学气相沉积法、电化学方法、溅射法等. TiO2薄膜主要是以纳米颗粒的形式沉积在基底上, 并且多为多晶和无定形. 而对于介孔单晶TiO2薄膜的制备和研究还没有报道. 我们通过直接焙烧一步法制备了介孔单晶TiO2薄膜, 并对TiO2薄膜的生长情况、表面结构、TiO2晶相和晶体完整程度的变化对性能的影响进行了研究. 通过调变Ti与F的比例和煅烧温度, 研究不同的制备条件对其性能的影响, 从而制备高活性TiO2薄膜. 为了进一步提高介孔单晶TiO2薄膜的活性和拓展其吸收光谱范围, 使用高温热解自组装技术一步法制备了贵金属Au负载的介孔单价TiO2薄膜, Au纳米颗粒跟TiO2有较好的结合度. 在可见光照射下, Au/TiO2异质结构中Au表面由等离子体共振效应产生的活泼电子会注入TiO2导带, 使光生电子和空穴得到分离; 同时Au具有特殊的可见光等离子体共振效应能显著改善TiO2类宽带隙半导体的可见光响应性能.实验用还原Cr(Ⅵ)作为探针反应, 考察不同Au含量对光催化性能的影响.     

Photophysical and photocatalytic properties of SrTiO3 doped with Cr cations on different sites

Usually, SrTiO3 monodoped with Cr cations at the Ti4+ site hardly shows visible light photocatalytic activity. Revealing the origin of this issue is important for us to find an alternative approach to make SrTiO3 active under visible light irradiation. In this paper, two Cr-doped SrTiO3-(Sr0.95Cr0.05)TiO3 and Sr(Ti0.95Cr0.05)O3-were synthesized by a conventional solid-state reaction method, and their photophysical and photocatalytic properties were studied comparatively. It was found that both (Sr0.95Cr0.05)TiO3 and Sr(Ti0.95Cr0.05)O3 showed considerable absorption to visible light. However, their photocatalytic activities for H2 evolution from aqueous methanol solution under visible light irradiation were significantly different: the H2 evolution rate over (Sr0.95Cr0.05)TiO3 (approximately 21 micromol/h) was more than 100 times that over Sr(Ti0.95Cr0.05)O3 (approximately 0.2 micromol/h). X-ray photoelectron spectroscopy analysis results revealed that the Cr cations doped at the Sr2+ site were all trivalent state (Cr3+), while those doped at the Ti4+ site were mixed valent states (Cr3+ and Cr6+). The different photocatalytic activities of H2 evolution are supposed to closely relate to the different valent states of Cr doped at different sites (Sr2+ or Ti4+) in SrTiO3. Possible electronic structures of (Sr0.95Cr0.05)TiO3 and Sr(Ti0.95Cr0.05)O3 were proposed in relation to their photophysical and photocatalytic properties.     

磷钨酸钾模板法制备高活性二氧化钛空心微球

TiO2空心微球因具有低密度、高活性、易分离而有利于多次重复使用的优点而广受关注.本文介绍一种无氟制备TiO2空心微球的简单方法——磷钨酸钾(K3PW12O40)模板法.首先,将H3PW12O40和KCl溶液混匀,得到白色牛奶状的K3PW12O40模板(式(1)),然后在磁力搅拌下加入一定量的Ti(SO4)2粉末,加热至大约125oC开始回流.回流8 h后,过滤洗涤.滤饼分散在强NaOH溶液中,原位除去K3PW12O40模板(式(2)).最后,将催化剂洗涤到滤液为中性,干燥后即得到TiO2空心微球.3KCl + H3PW12O40= K3PW12O40ˉ+3HCl (1) K3PW12O40+24NaOH =12Na2WO4+ K3PO4+12 H2O (2) Ti(SO4)2+2H2O = TiO2+2H2SO4(3)我们将所制备的TiO2空心微球,采用X射线衍射、透射电子显微镜、扫描电子显微镜、傅立叶红外光谱、固体粉末漫反射和X射线光电子能谱等进行了表征.采用紫外光催化降解阴离子染料(活性嫣红X3B)来评价催化剂的性能.实验结果显示：(1)所制TiO2空心微球直径在0.5–1.0μm;(2)磷钨酸钾模板剂充当晶核,有利于空心微球的晶化;(3)加入的高浓度硫酸钛,水解产生大量的硫酸,抑制硫酸钛水解,不利于TiO2空心微球的晶化(式(3));(4)催化剂的活性随着硫酸钛量的增加而先增后降.4 mmol硫酸钛用量的TiO2空心微球具有最高的光催化活性,是TiO2颗粒样品(无磷钨酸钾模板法制备)的2.1倍.用该方法制备的TiO2空心微球活性高可归因于以下主要原因：(1)TiO2空心微球独特的孔结构;(2)良好的晶化程度(TiO2样品晶化度越高,越有利于光生载流子的分离,抑制复合);(3)样品残余磷钨酸钾模板和TiO2之间存在光生电子转移,有利于空心微球TiO2活性的提高.该法具有操作简单、重复性好、易于批量制备的等优点,有望广泛应用于(光)催化、电化学、分离与纯化以及药物缓释等领域.     

TiO_2薄膜光催化降解亚甲基蓝(英文)

用常压气相沉积法镀膜制得的二氧化钛薄膜为催化剂,以紫外灯为光源,研究了亚甲基蓝的光催化降解。实验表明：镀膜时基片温度为２００℃;用铜线作为底物,在染料溶液中加Ｈ２Ｏ２,可提高光催化活性。     

Ag修饰的Fe_3O_4/TiO_2复合磁性纳米纤维的制备及光催化性能

通过静电纺丝法制备了含有Fe3O4纳米粒子的TiO2纳米纤维,采用水热法对该纤维表面进行纳米Ag修饰,制备出具有较强磁性和较好光催化性能的复合纤维.采用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)和紫外-可见光谱(UV-Vis)等对样品的结构和形貌进行表征,并以罗丹明B(Rh B)水溶液降解为模型反应,考察样品在紫外光照射下的光催化性能.结果表明,所制备的TiO2为锐钛矿结构,Fe3O4纳米粒子均匀分布在TiO2纤维中,Ag纳米颗粒比较均匀地分散在磁性TiO2纤维表面.经过纳米Ag修饰后,材料的光吸收能力大为增强,吸收带红移并扩展到可见光区.在紫外光照射40 min后,合成样品对Rh B的降解率达到99.5%.此外,Fe3O4纳米粒子的存在使该材料具有较强的磁性,可通过外加磁场将其分离回收.     

影响TiO2薄膜光催化降解亚甲基蓝的因素

 用中频交流反应磁控溅射技术制备了具有良好光催化性能的TiO2薄膜,考察了紫外光源、反应器和溶液浓度对亚甲基蓝溶液光催化降解特性的影响. 结果表明,紫外光源对TiO2薄膜光催化降解性能有较大的影响; 在计算光催化降解速率时应充分考虑光解和光氧化的影响. 低压汞灯TUV为光催化降解的较好选择. 动态反应系统可以有效避免光解,显著提高光催化反应速度. TiO2薄膜具有很好的光催化性能,且性能稳定.     

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.     

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.     

紫外光照下纳米TiO2电极的电化学行为

通过电沉积方法制备了纳米TiO2薄膜电极，应用循环伏安和交流阻抗技术研究了TiO2电极在253.7 nm的紫外光照射下的电化学行为.结果表明, TiO2薄膜电极的循环伏安图在＋0.15 V处出现新的氧化峰,交流阻抗谱的半圆明显减小，电极的开路电位在有光和无光的情况下呈现规律变化.实验证实在紫外光照射下电极表面有新物种Ti3＋生成，但光生Ti3＋不稳定.     

三种不同晶型二氧化钛的制备及光催化性能研究

分别以Ti(SO₄)₂和TiCl₄为原料,通过水热pH值的控制,批量制备了片状的锐钛矿(AT)、棒状的金红石(RT)和菱形的板钛矿型(BT)TiO₂.其中,AT具有最小的晶粒尺寸(约10nm),其次为RT(30—50nm),而BT具有最大的晶粒尺寸(50—70nm).固体漫反射显示出AT、BT和RT对光响应的阀值分别为375nm、385nm和415nm.其中,AT在紫外区显示出最强的光吸收能力.以阴离子活性染料X3B为目标分子的光催化降解实验结果显示,3种催化剂的光活性次序为AT>RT>BT,这与它们对X3B的吸附能力一致.文章对这产生TiO₂光活性差异的原因进行了讨论.     

WOx/TiO2光催化剂的可见光催化活性机理探讨

采用磁控溅射技术在用浸渍提拉法制得的TiO2薄膜上,溅射氧化钨层,通过气相反应中光催化降解二甲苯的实验表明,WOx/TiO2薄膜具有可见光活性.通过UV-Vis吸收光谱、X射线光电子能谱(XPS)等方法对其可见光活性的机理进行探索.UV-Vis吸收光谱表明WOx,TiO2对可见光响应的范围有一定的扩展,吸收强度增加.XPS表明WOx/TiO2薄膜表面形成了明显的W杂质能级和Ti缺陷能级,这是WOx/TiO2在可见光范围有一吸收的主要原因,也是光催化剂具有可见光活性的必要条件之一,同时杂质能级的存在使半导体费米能级上移,载流子增加,光催化效率提高.