TiO2纳米粒子膜的表面态性质及其光催化活性的研究

TiO₂纳米粒子膜催化剂光催化降解水中污染物,与粉末相比具有可重复使用、易回收等优点,近年来,在光化学领域受到人们的高度重视^[1～3].膜催化剂的表面性质与其光催化活性直接相关,研究这些性质能够为研制、开发高效催化剂提供理论依据.本文采用TiCl₄水解法,制备了酸性、碱性条件下TiO₂纳米粒子膜.利用原子力显微镜(AFM)、X-射线衍射谱(XRD)、红外光谱(IR)和场诱导表面光电压谱(EFISPS)测定其表面微结构.考察了它们对苯酚降解的光催化活性,讨论了膜催化剂的表面性质对光催化活性的影响.     

异质结型光催化膜的活性及其机理研究

采用浸渍提拉法制得TiO₂,ZnO,Fe₂O₃,ZnO/TiO₂,TiO₂/ZnO,Fe₂O₃/TiO₂和TiO₂/Fe₂O₃石英玻璃基底负载膜.光催化降解亚甲基蓝实验表明,TiO₂和ZnO具有良好的光催化活性,Fe₂O₃活性较差.但形成异质结后,TiO₂和Fe₂O₃的光催化降解能力发生明显的变化.用254nm紫外光光照后,TiO₂,ZnO和Fe₂O₃等3种氧化物膜与水的接触角均有不同程度的降低,TiO₂表现出超亲水性,ZnO/TiO₂和Fe₂O₃/TiO₂膜与水的接触角小于对应的单纯ZnO和Fe₂O₃膜与水的接触角,其中Fe₂O₃/TiO₂表面出现超亲水性.瞬态光电导谱的少数载流子寿命的测定表明,异质结势垒电场能有效地增强光生电子-空穴对的分离效率.根据能带理论建立的两组异质结能带模型可合理地解释实验结果.     

Keggin型铬取代的磷钨杂多阴离子/二氧化钛纳米膜光催化剂的制备及可见光催化性能

以钛酸四丁酯Ti(OC₄H₉)₄为TiO₂前驱体,Keggin型铬取代的杂多阴离子PW₁₁Cr为可见光活性组分,采用溶胶-凝胶提拉法在玻片表面制备了PW₁₁Cr/TiO₂纳米膜光催化剂,并用UV-Vis DRS、IR、XRD、SEM和TEM等技术手段对催化剂的光吸收性质、化学组成、晶相和表面结构形貌等进行了表征;讨论了膜中PW₁₁Cr和TiO₂相互作用的方式;以染料模型污染物RhB的可见光催化降解为探针,评估了PW₁₁Cr/TiO₂光催化剂的可见光催化活性,讨论了光催化反应机理,并与TiO₂的光催化反应机理进行了比较;考察了焙烧温度、PW₁₁Cr剂量和溶液pH值对光催化活性的影响;最后用RhB的循环降解实验评估了催化剂的光催化稳定性。 实验结果表明,PW₁₁Cr/TiO₂光催化剂对可见光有明显吸收,较低焙烧温度(100 ℃)下得到的膜为无定形结构,而较高焙烧温度(500 ℃)为纳晶结构;前者的光催化活性较高,在200 W金卤灯照射下降解10 μmol/L RhB,120 min的降解率为95%,4 h的COD去除率为72%;羟基自由基是导致RhB降解的主要氧活性物质;低的膜处理温度,高的PW₁₁Cr负载量和溶液酸性有利于提高PW₁₁Cr/TiO₂膜的光催化活性;经循环重复使用10次,PW₁₁Cr/TiO₂膜的光催化活性仅有较少损失。     

高度有序的二氧化钛纳米管阵列的制备及其光催化活性的研究

采用电化学阳极氧化法在钛表面构筑了一种结构有序、微米级的TiO₂纳米管阵列膜层. 考察了制备电压、氧化时间、溶液搅拌等实验参数对TiO₂纳米管阵列形貌和尺寸的影响. 应用SEM和XRD对膜层的形貌和晶型进行了分析和表征, 并通过TiO₂纳米管阵列膜对甲基橙的光催化降解, 研究了TiO₂纳米管阵列膜层结构与光催化活性的关系. 结果表明: 阳极电压和溶液搅拌对制备TiO₂纳米管阵列的结构起到关键的作用. 控制20 V电压制备的TiO₂纳米管阵列膜, 管长达2.6～3.3 μm, 经500 ℃热处理后具有最高的光催化活性, 其光催化性能明显优于一般的TiO₂纳米颗粒膜.     

在玻璃的TiO2涂膜上有机物分子的吸附及光催化分解对水接触角的影响

研究了有机物分子在玻璃的TiO₂ 和WO₃/TiO₂ 复合物涂膜上的吸附及光催化分解对水接触角的影响.结果表明:有机物在空白玻璃及其膜的表面的吸附为不可逆化学吸附,WO₃/TiO₂ 复合物膜可钝化玻璃表面对大气污染物分子的吸附能力并具有较好的光催化活性.     

F离子掺杂TiO2的性能研究

以NH₄F为掺杂剂,采用溶胶-凝胶法制备F离子掺杂型TiO₂光催化剂,对其进行XRD、XPS和PL表征,结果表明,F离子掺杂TiO₂由于Ti-F配位体的形成而能抑制金红石相的生成,同时F离子掺杂能增加TiO₂表面缺陷浓度并降低Ti_2P键的结合能,另外,由于F离子能取代Ti-OH配位体而降低了表面羟基氧浓度.光催化研究结果表明,F离子掺杂提高了TiO₂光催化活性近1.5倍.     

Ti表面修饰纳米TiO2膜电极的电催化活性

用电化学合成法在Ti表面修饰一层纳米TiO₂膜,TEM和XRD测试表明晶型为锐钛矿型,晶粒平均尺寸为25nm.用循环伏安法、循环方波伏安法和电解合成法研究了纳米TiO₂膜电极在硫酸介质中的氧化还原行为以及对硝基苯还原的电催化活性。结果表明,纳米TiO₂膜电极具有异相氧化还原催化行为,膜中的Ti(Ⅳ)/Ti(Ⅲ)作为媒质间接电还原硝基苯为对氨基苯酚,收率和电流效率分别达91.6%和95.2%.     

TiO2担载在新型载体上的光催化电极

介绍了一种将TiO₂光催化剂担载在新型载体上的光催化电极.新型载体是用炭质材料和聚四氟乙烯制备的,它具有电合成H₂O₂的功能.在电流密度为15mA/cm²时,光催化电极不仅具有高达80%的电合成H₂O₂的电流效率,而且该电极的电位处在0.02V(SCE)左右,使载体表面的TiO₂光催化剂获得了约+0.47V的阳极偏压(相对平带电势),对增加TiO₂光催化反应效率十分有益.在具有新型光催化电极的光反应体系中,水中的有机分子受到来自溶液中大量·OH自由基(H₂O₂被紫外光分解的中间产物)的均相氧化(即光化学氧化),以及来自TiO₂表面光生空穴的复相氧化(即光催化氧化).在光化学氧化和光催化氧化的联合作用下,有机分子的矿物化反应速度显著提高.     

染料敏化太阳能电池的二氧化钛膜性能研究

以二氧化钛(TiO₂)纳米粉(P25)为原料,把它研磨成胶状,用涂敷法制得TiO₂纳米多孔膜,并组装成太阳能电池,用100W氙灯作为模拟太阳光,对电池进行光电性能测试.根据电池的短路电流(I_sc)、开路电压(V_oc)和填充因子(ff)等指标来反映电池的性能.研究表明,分散剂乙酰丙酮、OP乳化剂、研磨时间和热处理后的保温时间长短对TiO₂膜的性能均有很大的影响.其结果是,乙酰丙酮0.15mL、OP乳化剂0.10mL、研磨时间1h和保温时间0.5h时,TiO₂膜的光电性能较好,I_sc、V_oc和ff分别为8.85mA、567mV和0.445.并用XRD和比表面及孔隙分析仪对TiO₂膜进行了表征.     

氧空位修饰的暴露TiO2{001}的Ru/TiO2增强光热协同CO2甲烷化活性和稳定性

利用太阳能在温和条件下实现CO₂还原反应,不仅可以缓解过度消耗化石能源造成的能源危机,还可以改善诸如温室效应和海洋酸化等环境问题.光热协同催化可以有效降低催化反应温度,具有较大的应用前景.本文利用Ru与暴露TiO₂{001}晶面的TiO₂载体产生的金属-载体相互作用,经过高温氢气煅烧后,获得具有丰富表面氧空位的Ru/TiO₂催化剂.活性测试结果表明,具有丰富表面氧空位的Ru/TiO₂表现出优异的CO₂甲烷化活性,反应过程中甲烷的TOF值在300°C时可以达到22 h-1,但该催化剂却表现出较差的稳定性,在反应10小时后,甲烷的TOF值逐渐降低到19 h-1.将紫外光引入到Ru/TiO₂热催化甲烷化体系中,甲烷的TOF值增加到30 h-1,且兼具高稳定性.热催化反应过程中逐渐消失的表面氧空位和部分氧化的Ru是活性降低的主要原因.在光热协同反应中,光生电子的产生稳定了Ru表面的电子密度,同时也再生了催化剂上表面氧空位,这有效地提高了反应的活性和稳定性.程序升温原位红外和X射线光电子能谱实验结果表明,当催化剂表面具有丰富的表面氧空位时,CO₂可以有效地在Ru纳米粒子上解离成CO中间体,随后吸附在Ru上的CO中间体解离成表面碳物种,并加氢产生甲烷.在热催化反应过程中,Ru纳米粒子逐渐被氧化成Ru Ox物种,且表面氧空位被CO中间物种覆盖,降低了催化反应的稳定性.当紫外光引入到上述反应中,催化剂的表面氧空位可有效提高光生载流子的分离能力.TiO₂载体产生的光电子转移至Ru表面,稳定了金属Ru纳米粒子的价态.另外,载体产生的光生空穴加速了H₂质子化,提高了催化剂对氢气的活化迁移能力,促进了CO中间体的加氢甲烷化反应,进而再生表面氧空位.因此在紫外光照下,兼顾提高了热催化CO₂甲烷化的活性和稳定性.值得注意的是,当Ru负载于暴露少量TiO₂{001}晶面的TiO₂载体上时,产生了强金属-载体相互作用并抑制了H₂在催化剂上的吸附活化,不利于产生表面氧空位.因此暴露少量TiO₂{001}晶面的Ru/TiO₂催化剂也不利于光生载流的产生和分离,这导致热催化或光热协同催化反应活性较低.     

二氧化钛多孔薄膜对含氯苯酚的电助光催化降解

用涂膜法制备了具有多孔微结构的二氧化钛薄电极,以制得的电极为工作电极,建立了三电极的电助光催化体系。选择含氟苯酚（４－氯苯酚,２,４,６－三氯苯酚）作为降解对象,进行光催化研究。实验结果表明,外加电极偏压可抑制光生电子－空穴的复合,提高二氧化钛的光催化效率;光强越强,降解速度越快。     

TiO2纳米粒子膜的制备、表面态性质和光催化活性

在酸性和碱性条件下,用TiCl4水解法制备了TiO2纳米粒子膜催化剂.采用原子力显微镜(AFM),X射线衍射(XRD),表面光电压谱(SPS)和场诱导表面光电压谱(EFISPS)测定了催化剂表面的微结构及能级结构.对催化剂进行了光催化降解苯酚实验,测定了其光催化活性.结果表明,酸性条件下制备的TiO2膜催化剂的光催化活性较高,其结果接近于P25.用能带理论解释了TiO2纳米粒子膜催化剂光催化活性的差异,分析了膜厚对光催化活性的影响.     

TiO2薄膜光催化降解4-(2-吡啶偶氮)间苯二酚的研究

为了探索有机物４－（２－吡啶偶氮）间苯二酚（ＰＡＲ）,在固定光催化剂上的降解行为,采用溶胶一凝胶法,在玻璃表面制得均匀透明的纳米ＴｉＯ２薄膜,并以其作光催化剂,在２５４ｎｍ紫外光照射下,进行ＰＡＲ水溶液的光催化降解研究。研究了ＰＡＲ光催化降解率与溶液ｐＨ值、ＰＡＲ初始浓度、助催化剂（Ｈ２Ｏ２）浓度和不同光照条件的变化关系,得出了ＴｉＯ２薄膜的光催化降解ＰＡＲ的有利条件。     

粉末状和薄膜状TiO2对敌敌畏的光催化降解

在光照条件下,光催化剂TiO₂有很强的氧化能力,能有效降解水中的有机污染物^[1],因而日益受到人们的关注.目前,研究最多的胶体溶液和颗粒悬浮体系因其难于分离、回收而限制了实际应用,因此催化剂固定问题急需解决.近年来,国内外对TiO₂薄膜催化剂做了许多探索^[2,3],取得了一些进展.本文用溶胶-凝胶法制备了一种粉末状TiO₂光催化剂和两种薄膜型TiO₂光催化剂,并进行了结构和形貌的表征,对敌敌畏稀释液做了光催化降解实验,并与粉末状TiO₂进行对比.结果表明:薄膜TiO₂催化剂优于粉末TiO₂催化剂.     

A new patterning method using photocatalytic lithography and selective atomic layer deposition

We report a new patterning method using photocatalytic lithography of alkylsiloxane self-assembled monolayers and selective atomic layer deposition of thin films. The photocatalytic lithography is based on the fact that the decomposition rate of the alkylsiloxane monolayers in contact with TiO2 is much faster than that with SiO2 under UV irradiation in air. The photocatalytic lithography, using a quartz plate coated with patterned TiO2 thin films, was done to prepare patterned monolayers of the alkylsiloxane on Si substrates. A ZrO2 thin film was selectively deposited onto the monolayer-patterned Si substrate by atomic layer deposition.     

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。     

二氧化钛薄膜上三氯乙烯光催化氧化反应机理

 研究了二氧化钛薄膜上三氯乙烯(TCE)气相光催化氧化的反应机理. 结果表明,TCE气相光催化氧化反应生成的氯气可引发TCE的连锁反应. 当添加氯气的浓度相同时TCE表面光催化反应的初速率约为光化学反应初速率的2倍,说明连锁反应主要发生在催化剂表面. 氯可吸附在催化剂表面,作为电子的接受体抑制空穴与电子复合,提高TiO2光催化剂的活性. 除了TCE与吸附在催化剂表面的·OH的相互作用及反应产物/中间产物二氯乙酰氯的光催化分解可生成氯气以外,光气在与氯气共存时的光分解也有利于氯的生成.     

三氯乙烯预处理的TiO2薄膜上挥发性有机物的光催化反应

 制备了TiO2薄膜催化剂,并用三氯乙烯对其进行了预处理; 采用FT-IR,GC/MS及XPS等技术研究了三氯乙烯预处理的TiO2薄膜上挥发性有机物的光催化反应. 结果表明,三氯乙烯预处理能加快某些挥发性有机物的光催化反应. 这是由于氯作为三氯乙烯气相光催化分解反应的中间产物吸附在催化剂表面,成为反应的活性物种引发挥发性有机物发生游离基反应,从而提高其气相光催化反应速率.     

纳米TiO_2薄膜的制备及性能表征

采用溶胶-凝胶法制备了以玻璃为基底具有高光催化活性,表面均匀、透明、无裂纹的纳米TiO2薄膜.研究了反应物配比对薄膜表面形貌、透光率和光催化活性的影响,确定了最佳反应物配比.采用扣除背景干扰的方法,利用甲基橙的降解率对TiO2薄膜的光催化性能进行了评价,对其透光率、光催化活性以及物相形貌进行了表征.结果表明,在最佳反应物配比条件下,所制备的TiO2薄膜表面光滑平整,粒径为纳米级且分布均匀,具有80%高透光率和99%高光催化活性.