低量Tm掺杂TiO_2纳米粉体的光致发光特性及光活性

利用溶胶-凝胶法制备了不同掺杂量及不同温度焙烧的Tm掺杂TiO2纳米粉体。采用X射线衍射(XRD),紫外-可见漫反射谱(DRS)和光致发光光谱(PL)技术研究了Tm掺杂量和焙烧温度对其相结构、晶粒尺寸、光吸收及光致发光性能的影响;并以亚甲基蓝(MB)溶液的光催化降解评价其光活性。结果表明:低量Tm掺杂强烈抑制TiO2由锐钛矿相向金红石相转变,减小晶粒尺寸;然而,Tm掺杂量增加,抑制相变作用减弱。Tm掺杂导致样品的紫外吸收能力略有降低,光吸收带边蓝移。Tm掺杂导致样品的PL谱强度降低(0.05%0.075%0.025%≈0.1%0%),光活性升高(0.075%0.05%0.1%0.025%0%),但二者顺序并不完全一致。低量Tm掺杂能有效提高纳米TiO2的光活性;当Tm掺杂量为0.075%(质量分数)、焙烧温度为550℃时,制得样品呈双相结构,锐钛矿相占91%,晶粒尺寸为24.48 nm,其光活性最佳。光活性提高的主要根源是Tm掺杂能有效促进纳米TiO2表面光生e-/h+分离,提高量子化效率。     

铽(III)掺杂TiO2纳米材料相转移和光催化性质研究

以无水丁二醇为溶剂在中性条件下用溶胶凝胶法制备了系列Tb~(3+)(x=0. 0025～0.07)均匀掺杂的二氧化钛纳米材料。研究结果表明，Tb~(3+)掺杂对纳米二 氧化钛的相转移有很强的抑制作用。这种抑制作用的强弱与Tb~(3+)掺杂的浓度有 密切关系，Tb~(3+)(x = 0.02)的掺杂对TiO_2锐钛矿(anatase)向金红石(rutile) 转化的抑制作用最强。伴随着发生相转移温度的提高，掺杂纳米二氧化钛材料的高 温烧结大大缓解，掺杂纳米TiO_2的热稳定性明显增强；掺杂浓度越高，热稳定性 提高越大。对罗丹明的光降解实验表明，Tb~(3+)掺杂可以有效提高TiO_2光催化活 性。对不同浓度、不同煅烧温度样品光催化降解活性进行系统考察后发现，Tb~ (3+)(x=0.02)掺杂的样品在不同煅烧温度下均显示出最好的光催化效率，说明掺杂 浓度对其光催化性质影响很大。用浸渍法制备的样品其光催化活性较纯的二氧化钛 低，并且其催化活性随浸渍浓度的增加而降低，表明稀土离子的分布是影响稀土掺 杂纳米TiO_2光催化性质的主要因素之一。     

铽(III)掺杂TiO2纳米材料相转移和光催化性质研究

以无水丁二醇为溶剂在中性条件下用溶胶凝胶法制备了系列Tb~(3+)(x=0. 0025～0.07)均匀掺杂的二氧化钛纳米材料。研究结果表明，Tb~(3+)掺杂对纳米二 氧化钛的相转移有很强的抑制作用。这种抑制作用的强弱与Tb~(3+)掺杂的浓度有 密切关系，Tb~(3+)(x = 0.02)的掺杂对TiO_2锐钛矿(anatase)向金红石(rutile) 转化的抑制作用最强。伴随着发生相转移温度的提高，掺杂纳米二氧化钛材料的高 温烧结大大缓解，掺杂纳米TiO_2的热稳定性明显增强；掺杂浓度越高，热稳定性 提高越大。对罗丹明的光降解实验表明，Tb~(3+)掺杂可以有效提高TiO_2光催化活 性。对不同浓度、不同煅烧温度样品光催化降解活性进行系统考察后发现，Tb~ (3+)(x=0.02)掺杂的样品在不同煅烧温度下均显示出最好的光催化效率，说明掺杂 浓度对其光催化性质影响很大。用浸渍法制备的样品其光催化活性较纯的二氧化钛 低，并且其催化活性随浸渍浓度的增加而降低，表明稀土离子的分布是影响稀土掺 杂纳米TiO_2光催化性质的主要因素之一。     

二维氧化钛纳米页

单层氧化钛纳米页(titania nanosheets)是一种厚度仅为0.7 nm的新型二维纳米材料,具有许多不同于块体氧化钛的优异性质,如:高各向异性、单晶性质、胶体和聚电解质特性、大比表面积、高表面能和量子尺寸效应等。在光电转换、磁光效应、高介电常数器件、电化学能量储存、湿敏传感器、自清洁和光催化等领域极具应用前景。本文首先总结了氧化钛纳米页的基本性能,如:光吸收性能、光致发光性能、光电化学性能、光诱导亲水性能和晶相转变温度差异等,概述了氧化钛纳米页的制备及组装方法,接着分别以薄膜片、纳米管、中空微球、超薄多层复合薄膜为代表,介绍了氧化钛纳米页组装得到的新型材料及其特点,然后介绍了氧化钛纳米页的掺杂改性,从拓宽光吸收带边、提高电子迁移速率和提高磁光效应三个角度,归纳总结了离子掺杂与氧化钛纳米页性能之间的关系,最后对氧化钛纳米页未来的研究发展趋势提出了展望。     

N掺杂纳米TiO2可见光催化氧化丙烯的动力学行为

通过在不同温度的氨气气氛中处理纳米管钛酸(NTA)制得具有可见光响应的氮掺杂纳米二氧化钛. X射线衍射(XRD)谱表征结果显示, 当温度高于400 ℃时, 样品由正交晶系向锐钛矿相转变, 700 ℃处理得到的样品除了锐钛矿相TiO2外还有TiN 新相存在; 紫外-可见扩散漫反射(DRS)结果表明, 氮掺杂纳米TiO2在整个可见光区都有明显的吸收. 不同波长可见光及不同气体流速的光催化氧化丙烯动力学研究表明, 活性最好的N掺杂纳米TiO2催化剂(600 ℃ NH3处理)对可见光的利用范围可扩展至500 nm, 低浓度丙烯光催化氧化反应为一级反应.     

在水热条件下利用微胶束对TiO2纳米线阵列直径的精细调控

通过探讨氧化钛纳米线阵列反应机制,建立了在水热条件下,氧化钛纳米线阵列在亲水掺铟氧化锡表面上由极性/非极性溶剂体系中形成的胶束内反应并生长的模型.并由此利用微胶束的尺寸限制作用,通过温度对微胶束尺寸进行调节,以及Cl^-离子的晶面限制效应,实现了在较大范围内对纳米线直径的调控.另外反应体系中极性与非极性溶液的比例的变化对纳米阵列的直径影响不大,因此可以认为在此反应体系中,氧化钛纳米线的直径主要受到微胶束的限域效应以及Cl^-离子的晶面限制效应影响.此方法可应用于其他相关氧化物纳米材料的尺寸控制合成中.     

掺杂二氧化锡的二氧化钛的光学性质及其光催化特性

二氧化钛多相催化是一种极具前途的环境污染深度净化技术。 本文以钛酸四丁酯和四氯化锡为原料,无水乙醇为溶剂,采用溶胶-凝胶法制备了掺杂二氧化锡的二氧化钛薄膜和复合氧化物粉体。通过测量薄膜的吸收光谱推算光学能隙,结果发现掺杂样品的光学能隙比纯二氧化钛样品有所变小。随着热处理温度的提高,掺杂和纯二氧化钛样品的光学能隙都略微降低。X-射线衍射分析表明,复合氧化物粉体的热处理温度对样品的晶体结构和光催化性能有重要影响。以掺杂二氧化锡5 % 摩尔比的样品与纯二氧化钛对照,500 ℃以下热处理样品以锐钛矿结构为主,600 ℃热处理样品为锐钛矿与金红石相共存,并显示了较好的光催化性能。透射电子显微镜观察显示,同样600 ℃热处理,掺杂样品要比纯二氧化钛具有更小的颗粒尺寸。在700 ℃热处理的样品中,掺杂样品只存在金红石相而纯二氧化钛样品中仍存有锐钛矿相。用阿伦尼乌斯经验关系式推测的晶粒生长的活化能,纯二氧化钛47.486 kJ.mol, 掺杂5 % 摩尔比的复合氧化物样品33.103 kJ.mol。以亚甲基蓝为降解物质,考察了掺杂量和热处理温度对样品的光催化性能。     

二氧化钛的尺寸与光催化活性的关系

采用溶胶－凝胶法控制制备了晶粒尺寸从１０ｎｍ到８０ｎｍ的二氧化钛纳米半导体．用光催化降解苯酚作为模型反应，结合ＸＲＤ，ＤＲＳ，ＦＳ等表征手段，研究了纳米ＴｉＯ２的制备条件与其晶粒尺寸和相结构的关系，探讨了纳米ＴｉＯ２尺寸效应对其光催化活性的影响．发现当晶粒尺寸小于１６ｎｍ时，二氧化钛半导体具有了明显的尺寸量子效应．尺寸量子效应对提高ＴｉＯ２光催化降解苯酚的催化活性起了极为重要的作用．     

TiO2纳米晶光催化降解铬酸根离子的研究

以二氧化钛为光催化剂,研究了溶液的ｐＨ值、铬酸根离子的初始浓度、通入的气体种类、氧化钛的载量等因素对铬酸根离子降解率的影响。同时合成了粒径小于１０ｎｍ的锐钛矿相和金红石相氧化钛纳米晶来考察晶相和尺寸效应对降解率的影响。结果表明,锐钛矿的催化活性高于金红石相,两者的催化活性均大大高于市售的氧化钛微粉。     

金纳米粒子的尺寸以及金-二氧化钛相互作用对表面等离激元光催化产氧的影响（英文）

表面等离激元共振效应具有独特的光-物质相互作用的性质,因而近年来被广泛的应用到太阳能转化科学领域.通过调变金属的性质(例如组分、尺寸、形貌等)可以方便地在整个太阳能光谱范围内调节其等离子共振吸收性质,从而有效地增加光催化剂的捕光效率.尽管如此,等离激元光催化目前的能量转化效率仍处于很低的水平,主要是由于光催化剂中的电荷分离以及利用效率很低.理论上可以通过控制优化金属纳米粒子的尺寸以及金属-半导体的相互作用来促进电荷分离及利用效率,从而提高光催化剂的活性.然而,关于金属纳米粒子的尺寸以及金属-半导体的相互作用在表面等离激元光催化剂中的具体作用还亟待详细研究.本文以金/二氧化钛作为典型的表面等离激元光催化剂,通过简便的焙烧后处理可同时实现金粒子尺寸和金-氧化钛界面相互作用的调控.我们发现,催化剂的可见光产氧活性随着焙烧温度呈现火山型关系,其中600 ℃处理的样品表现出最高的活性,在560 nm出的表观量子效率为0.3%,接近甚至超过文献报道的同类结果.随后通过X射线衍射、扫描电镜、光电子能谱、紫外可见光谱等表征手段系统地研究了煅烧温度对于金粒子尺寸和金-氧化钛相互作用的影响.从结果表明,通过不同温度焙烧并未改变二氧化钛自身的性质,且随着温度的升高,金尺寸在600℃之前变化较小,随后突然快速长大.在排除了不同样品的吸光性能的差异后发现,产氧活性随着Au尺寸长大而减少.从光电子能谱的结果发现,金-二氧化钛的界面相互作用随焙烧温度升高而逐步增强.进一步地,通过界面周长的归一化活性得出界面相互作用与产氧活性呈现近似线性关系.最后,通过对光沉积Au样品进行不同温度的煅烧发现大尺寸Au的粒径不随煅烧温度变化,而此时的产氧活性却随焙烧温度增加而增加,这进一步验证了界面相互作用对光催化水氧化的促进作用.综合以上结果可知,最终的等离激元诱导的可见光产氧活性是由尺寸与界面相互作用共同影响的结果,尺寸和界面相互作用的变化会共同影响热电子转移效率和表面反应效率,从而改变整体的光催化产氧效率.     

Electronic structure of the doped SnO_2

SnO2 doped with La, Ce, Sm, Zn, Ca, Al and Sb was prepared by sol-gel technique and characterized by TEM, BET, XPS and XAES. The effect of the dopants on the grain sizes of SnO2 was described and especially the effect of dopants on the distribution of the electronic state density (DESD) of Sn4d orbital was studied deeply by using X-ray-induced Auger electron spectros-copy (XAES). It was observed that the dopants could influence not only the grain sizes of SnO2 but also electronic structure of SnO2, as well as the stability of the doped SnO2 samples. The experiment results indicated that the structure and stability of SnO2 film could be improved by the chemical modification of the dopants.     

高效SnO2纳米片催化剂用于CO氧化

SnO2是一种具有丰富表面缺位氧的n型半导体,其晶格氧亦可还原.另外其熔点高达1630oC,具有较高的热稳定性能.在过去的几十年中, SnO2主要用作气敏材料.而其作为催化材料的性能,特别是用于大气污染治理则鲜见报道.在过去的几年中,本课题组系统研究了SnO2的催化化学,发现利用传统共沉淀法制备的SnO2纳米粉末,在焙烧温度高于500 oC时,其比表面积通常低于20 m2/g,因而限制了其氧化活性.在SnO2晶格中掺杂Fe、Cr、Mn、Ce和Ta等形成固溶体可有效提高其比表面积并产生更多的活性氧物种,因而其对CO和CH4的氧化活性及稳定性大幅度提高.本课题组近期研究结果表明,采用熔盐法制备的高纯SnO2纳米棒单晶比SnO2纳米颗粒和纳米微球等具有更优异的CO氧化活性,260 oC即可完全氧化CO.且在240–260 oC狭窄温度区间发生转化率突跃,表现出类似贵金属的催化行为.值得指出的是, SnO2纳米棒的比表面积(1 m2/g)远低于其他几种形貌的材料,且无活泼氧存在.但研究表明SnO2纳米棒具有优先暴露的(110)活泼晶面,是导致其活性优良的主要原因.另外,我们采用简单共沉淀法成功制备了高比表面介孔Cu-Sn复合氧化物纳米片(196 m2/g),其在140 oC即可将CO完全氧化,且具有优良的抗水失活性能.因此, SnO2的形貌是影响其催化活性的主要因素之一,但迄今未见较系统深入的研究.在上述工作基础上,本文通过水热法,不添加任何有机模板剂,成功制备了厚度约10 nm的介孔SnO2纳米片和纳米棒及纳米颗粒混合物样品;采用常规共沉淀法制备了SnO2纳米颗粒.并将以上三种不同形貌的SnO2纳米材料用于CO氧化.利用SEM、XRD、N2吸附-脱附、H2-TPR和XPS探讨了不同形貌SnO2催化剂的体相结构和表面性质及其对催化性能的影响.与SnO2纳米颗粒相比,介孔SnO2纳米片具有高的比表面积、孔体积及更活泼的氧中心,因此后者CO氧化活性远高于前者.在空速18000 mL/(g·h)时, SnO2纳米片在260 oC即可完全氧化CO.而SnO2纳米颗粒的CO完全氧化温度高于360 oC. SnO2纳米棒和纳米颗粒的混合样品虽然其比表面积和孔体积及表面活性氧的活性仅略高于SnO2纳米颗粒,但XRD定量结果表明,其具有更多的暴露(110)活泼晶面,因而活性也高于SnO2纳米颗粒. SnO2纳米片催化剂的寿命及抗水性能测试结果表明,该催化剂具有良好的稳定性,且水蒸气仅对其活性产生可恢复的影响.进一步优化其性能, SnO2纳米片有可能用于实际汽车尾气状况下的CO催化清除.     

超声喷雾共沉淀法制备纳米氧化锡粉体及其气敏性研究

采用超声波喷雾技术,以SnCl4·5H2O和CO(NH2)2为前驱体原料制备了氧化锡以及Ce稀土离子掺杂纳米粉体.详细地研究了超声喷雾条件、反应时间以及化学组分对纳米SnO2粉体的形貌和尺寸的影响规律,以及前驱体沉淀物脱水化学处理的条件.用XRD,TEM研究了所获纳米粒子的晶相和形貌.结果表明,制备的SnO2纳米粒子呈球状,尺寸在10～20 nm,纳米颗粒均匀,分散性好.以该粉体为基础制备了相应的气敏元件,测定了气体灵敏度与温度和稀土元素掺杂的关系.研究测试表明,纳米SnO2半导体气敏元件对NO2气体有着良好的响应-恢复特性,并且具有较高的灵敏度和较低的工作温度.稀土元素铈的掺杂能明显提高纳米SnO2粉体的气敏性能.     

Physicochemical Characterization and Catalytic Properties of Titania Gel Doped with Lithium and Rubidium

The effect on titania of doping with lithium and rubidium titania gels has been studied in samples prepared with titanium (IV) tetra-n-butoxide co-gelling with the alkaline metal precursors. Titania and doped titania were characterized by X-Ray diffraction, which showed that the catalysts were nanostructured. In samples calcined at 400°C, the crystallite size of the anatase phase was 17 and 14 nm, and 78 and 38 nm for samples calcined at 600°C, for Li/TiO₂ and Rb/TiO₂, respectively. The specific surface areas of doped samples (400°C) are lower in Li/TiO₂ (90 m²/g) than in Rb/TiO₂(125 m²/g). Evaluation of their basic properties has been carried out in the acetone condensation reaction. It was found that the activity strongly depended on the Li and Rb ionic radii.     

刷涂热分解法制备Ti/SnO2-Sb2O5阳极及其性能

通过刷涂热分解法制备了锑掺杂的钛基二氧化锡(Ti/SnO2-Sb2O5)涂层电极. 在酸性介质中, 用扫描电镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、循环伏安和快速寿命测试等方法研究了Ti/SnO2-Sb2O5电极制备条件、电极结构、性能和寿命. 结果表明, Ti/SnO2-Sb2O5电极涂层具有“干泥”结构, 用锡锑摩尔比为9:1的涂液组成、在550 ℃烧结温度下制备的Ti/SnO2-Sb2O5的电极涂层平整致密,龟裂小, 电极孔隙率小, 稳定性最好.     

SnO2负载Au和M-Au(M=Pt,Pd)催化剂及其低温催化氧化CO性能

以SnO₂为载体, 采用沉积沉淀法(DP)、共沉淀法(CP)和浸渍法(IM)制备了金负载Au/SnO₂催化剂, 同时采用沉积沉淀法制备了M-Au/SnO₂(M=Pd, Pt)双金属负载催化剂. 通过X射线衍射(XRD)、BET比表面积测定、透射电镜(TEM)和X射线光电子能谱(XPS)等技术对样品进行表征, 并测定其对CO的催化活性. 结果表明: 与CP法和IM 法相比, DP法制备的Au/SnO₂-DP 催化剂, Au 颗粒(<5 nm)较小, 分布均匀; Au/SnO₂-DP 中的Au 是以金属态Au0存在, 而Au/SnO₂-CP 和Au/SnO₂-IM 中, 金以Au⁰和Au³⁺的混合价态存在, 在Au/SnO₂-DP和M-Au/SnO₂中的Au、Pt、Pd和SnO₂之间存在相互作用; Au/SnO₂-DP 催化性能明显优于Au/SnO₂-CP 和Au/SnO₂-IM. Au与Pt 和Pd的双金属复合催化剂催化活性明显提高. 不同方法制备Au/SnO₂催化活性的差别主要是由于Au颗粒大小和Au氧化态的不同而产生. 而M-Au/SnO₂活性提高, 可能是由于Au与Pt 和Pd之间的相互作用.     

Electrochemical insertion of lithium in mechanochemically synthesized Zn2SnO4

We studied the electrochemical insertion of Li in mechanochemically prepared Zn(2)SnO(4). The mechanism of the electrochemical reaction was investigated by using X-ray diffraction, nuclear magnetic resonance spectroscopy, and M?ssbauer spectroscopy. Changes in the morphology of the Zn(2)SnO(4) particles were studied by in situ scanning electron microscopy. The results were compared with mixtures of SnO(2) + ZnO and with Zn(2)SnO(4) prepared by conventional solid-state synthesis and showed that the mechanochemically prepared Zn(2)SnO(4) exhibits the best cyclic stability of these samples.     

SnO_2/中空洋葱状碳纳米复合材料的制备及电化学性能

以炭黑为原料,硝酸铁为催化剂前驱体,氮气气氛下1000℃高温炭化制备了直径为40nm的中空洋葱状碳纳米颗粒(OC).用SnCl2/乙醇溶液浸渍,空气中350℃氧化得到SnO2/OC复合材料.进一步对该复合材料进行酸处理制备OC包覆的SnO2电极材料.采用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)和热失重分析(TGA)对OC和SnO2/OC复合材料进行表征;利用恒电流充放电和循环伏安(CV)方法对复合材料作为锂离子电池负极材料的电化学性能进行表征.结果表明:酸处理后的复合材料的循环性能得到明显改善,50次循环后可逆容量保持为446mAh·g-1,OC起到了缓冲SnO2膨胀和阻止团聚的作用.     

Nanostructured SnO2-ZnO heterojunction photocatalysts showing enhanced photocatalytic activity for the degradation of organic dyes

Nanoporous SnO(2)-ZnO heterojunction nanocatalyst was prepared by a straightforward two-step procedure involving, first, the synthesis of nanosized SnO(2) particles by homogeneous precipitation combined with a hydrothermal treatment and, second, the reaction of the as-prepared SnO(2) particles with zinc acetate followed by calcination at 500 °C. The resulting nanocatalysts were characterized by X-ray diffraction (XRD), FTIR, Raman, X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), nitrogen adsorption-desorption analyses, transmission electron microscopy (TEM), and UV-vis diffuse reflectance spectroscopy. The SnO(2)-ZnO photocatalyst was made of a mesoporous network of aggregated wurtzite ZnO and cassiterite SnO(2) nanocrystallites, the size of which was estimated to be 27 and 4.5 nm, respectively, after calcination. According to UV-visible diffuse reflectance spectroscopy, the evident energy band gap value of the SnO(2)-ZnO photocatalyst was estimated to be 3.23 eV to be compared with those of pure SnO(2), that is, 3.7 eV, and ZnO, that is, 3.2 eV, analogues. The energy band diagram of the SnO(2)-ZnO heterostructure was directly determined by combining XPS and the energy band gap values. The valence band and conduction band offsets were calculated to be 0.70 ± 0.05 eV and 0.20 ± 0.05 eV, respectively, which revealed a type-II band alignment. Moreover, the heterostructure SnO(2)-ZnO photocatalyst showed much higher photocatalytic activities for the degradation of methylene blue than those of individual SnO(2) and ZnO nanomaterials. This behavior was rationalized in terms of better charge separation and the suppression of charge recombination in the SnO(2)-ZnO photocatalyst because of the energy difference between the conduction band edges of SnO(2) and ZnO as evidenced by the band alignment determination. Finally, this mesoporous SnO(2)-ZnO heterojunction nanocatalyst was stable and could be easily recycled several times opening new avenues for potential industrial applications.     

作为锂离子电池负极材料的三维有序大孔SnO2的 制备及表征

通过聚苯乙烯(PS)胶晶模板法合成了三维有序大孔(3DOM) SnO2. 运用扫描电镜、热重分析、X射线衍射、电化学充放电等多种方法对其结构和性能进行了表征和研究. SEM图表明PS胶晶模板微球排列规整, 大小均匀(直径275±10 nm), 形成多层六方紧密堆积排列; 煅烧除去模板后的3DOM SnO2呈三维多孔网络结构, 具有圆型和六边形的孔隙形貌, 其孔径大小为(215±10) nm; 孔壁由SnO2纳米晶粒组成, 壁厚为20～30 nm. XRD图谱表明经过煅烧除去模板后, 形成了纯SnO2相. 当作为锂离子电池负极材料时, 3DOM SnO2表现出较好的充放电容量和库仑效率. 此外, 这种合成方法简单、经济, 可进一步应用于其它锂离子电池材料的合成.