微波-光催化耦合效应及其机理研究

采用溶胶 凝胶法制备了TiO2和/TiO2催化剂，运用XRD、BET比表面积测定及微波吸收谱等技术对催化剂的结构进行了表征，并以C2H4为模型反应物考察了微波对催化剂的光催化氧化反应性能的影响.研究结果表明，在微波场中TiO2和/TiO2催化剂的光催化氧化性能得到明显改善.时间分辨紫外 可见吸收谱证实微波场的存在有效地提高了催化剂对紫外光的吸收率.因此，微波场与紫外光的耦合使光催化活性提高的可能原因是微波场对多缺陷催化剂的极化作用,提高了光致电子的跃迁几率，并在半导体表面形成陷阱中心,降低了电子 空穴对的复合率.     

稀土/二氧化钛催化剂的制备和光催化消除气体污染物

为了提高TiO2的光催化性能,用溶胶-凝胶法制备了掺杂稀土元素的RE(RE=La,Ce,PR,Nd)/TiO2催化剂,并对其进行表征.通过光催化消除甲醇气体为模式反应,研究了催化剂的催化性能.探讨稀土掺杂量、活化温度、甲醇的初始浓度对催化剂活性的影响.实验结果表明:由于稀土元素的掺杂,TiO2由锐钛矿向金红石相的转变温度有所提高,热稳定性增加,光生电子和空穴复合率有所降低,催化性能比纯TiO2明显提高.尤其是Pr元素的掺杂对TiO2催化性能的提高最为明显.当甲醇初始浓度为4.5 g·m-3,流速为10.0ml·min-1,催化剂用量为0.1 g时,Pr/TiO2光催化消除甲醇的消除率达100%.     

镧在TiO2薄膜中的非均匀掺杂对光催化性能的影响

采用溶胶-凝胶法制备了La^3＋非均匀掺杂的TiO2薄膜。通过对甲基橙的光催化降解实验来评价催化剂薄膜的催化活性，结果表明：La^3＋的掺杂方式对TiO2的催化活性有很大的影响，采用非均匀掺杂方式可以明显提高TiO2的催化活性，掺杂浓度以0．5％（原子分数）为最佳。紫外-可见漫反射光谱鼎示其吸收带边明显红移；电化学行为表明其光生空穴一电子对的形成能力和分离效率得到提高。通过比较太阳能光电池异质结的“窗口效应”理论，初步探讨了La^3＋非均匀掺杂对TiO2的光催化活性的影响机制。     

Ag改性提高TiO2对Cr(VI)的光催化还原活性机理

在消除了质子缺乏、光生电子-空穴复合对Cr6＋光催化还原负效应影响下，比较了TiO2和Ag/TiO2（Ag质量分数 1.0％）光催化还原活性.结果表明，相同条件下Ag/TiO2表现出比TiO2更高的催化活性. EPR分析表明，对于Ag/TiO2，UV照射后Ag表面有活性物种生成，在TiO2上有活性中心表相Ti3＋生成.光生电子通过表相Ti3＋向Cr6＋传递电子是Cr6＋光催化还原的速度控制步骤.较多的表相Ti3＋参与还原反应是Ag/TiO2表现出较高催化活性的主要原因，担载Ag上积聚光生电子的较强流动性对反应也起到一定促进作用.     

钒离子掺杂对TiO2光催化剂薄膜催化活性的影响

采用溶胶凝胶工艺在普通玻璃表面制备了钒离子非均匀掺杂的TiO2薄膜,运用XRD研究了其光催化复合薄膜的表面特征.以光催化降解甲基橙溶液为模型反应,表征薄膜的光催化活性,结果表明,将钒离子富集在TiO2薄膜内部时,最佳掺杂浓度为1.0%(V/Ti原子百分比),最佳降解表观速率常数为7.44×10-3min-1,约是纯TiO2的2.3倍,有效地提高了TiO2半导体的光催化效率.通过XPS与电化学方法进行分析,说明将钒离子富集在TiO2薄膜内部十分有利于电子-空穴的分离,增强了光生电子与空穴的分离效率.     

拓扑相变制备具有拓宽可见光响应范围的Ti3+自掺杂3D空盒状TiO2

TiO2广泛用作半导体光催化材料, 但由于自身对光利用率低(只吸收紫外光)、禁带宽度较大、光生载流子复合率极高, 限制了它在相关领域的应用. 为此, 设计了Ti3+离子自掺杂来克服TiO2半导体材料的上述缺点, 进而提高其光催化活性. 在不引入其他元素的情况下, 以TiOF2为原料, Zn粉为还原剂, 在水热条件下采用拓扑相变法原位制备了具有可见光响应的Ti3+自掺杂空盒状TiO2(记为Ti3+/TiO2)催化剂材料. 掺杂金属离子可以改变半导体TiO2的结晶度和产生晶格缺陷, 形成电子或空穴的捕获中心, 影响电子-空穴对的复合; 同时, 掺杂金属离子产生的晶格缺陷有利于Ti3+和氧空位的形成, 有利于提高TiO2的量子效率. Ti3+掺杂是一种既清洁又未引入其他金属离子的掺杂改性方法, 它能有效保持催化剂的结构和形貌不受其他金属离子的影响. 总之, 金属离子掺杂有效拓展了TiO2的光吸收范围, 并极大地提高了TiO2的光催化活性.本文研究了不同量的还原剂对催化剂空盒状TiO2结构形貌影响, 以及在可见光下光催化降解罗丹明B反应性能, 发现Ti3+/TiO2催化剂均拥有非常好的光催化活性, 其中R0.25催化剂在可见光下120 min, RhB降解率达到96%, 是TiO2的4倍多. 且可循环使用5次的光催化循环降解实验后, 表现出较高的稳定性. 催化剂经过Ti3+自掺杂后, 对催化剂自身的空盒状结构形貌并无很大的影响, 随着还原剂Zn粉的量增加, Ti4+还原形成Ti3+数量增加, 导致形成更多的氧空位. 皆为锐钛矿型TiO2,与未掺杂Ti3+的TiO2比较发现, 自掺杂Ti3+的TiO2的(105)XRD衍射峰越来越尖锐, (004)衍射峰越来越宽. 随着还原剂Zn粉质量的逐渐增加, 催化剂的光响应范围拓宽到可见光区, 且逐渐增强. 这说明Ti3+的掺杂不仅提高了TiO2在可见光的响应能力, 也提高了TiO2在紫外光范围的响应能力. 另外, 掺杂后的TiO2禁带宽度的减小, 使其价带上的电子更容易被可见光激发, 产生更多的电子-空穴对参与光催化反应, 从而提高TiO2的光催化效率.     

Ag改性提高TiO2对Cr(Ⅵ)的光催化还原活性机理

在消除了质子缺乏、光生电子-空穴复合对Cr6+光催化还原负效应影响下,比较了TiO2和Ag/TiO2(Ag质量分数1.0%)光催化还原活性.结果表明,相同条件下Ag/TiO2表现出比TiO2更高的催化活性.EPR分析表明,对于Ag/TiO2,UV照射后Ag表面有活性物种O-2生成,在TiO2上有活性中心表相Ti3+生成.光生电子通过表相Ti3+向Cr6+传递电子是Cr6+光催化还原的速度控制步骤.较多的表相Ti3+参与还原反应是Ag/TiO2表现出较高催化活性的主要原因,担载Ag上积聚光生电子的较强流动性对反应也起到一定促进作用.     

Ag改性提高TiO_2对Cr(VI)的光催化还原活性机理

在消除了质子缺乏、光生电子-空穴复合对Cr6 光催化还原负效应影响下,比较了TiO2和Ag/TiO2(Ag质量分数1.0％)光催化还原活性.结果表明,相同条件下Ag/TiO2表现出比TiO2更高的催化活性.EPR分析表明,对于Ag/TiO2,UV照射后Ag表面有活性物种O2生成,在TiO2上有活性中心表相Ti3 生成.光生电子通过表相Ti3 向Cr6 传递电子是cr6 光催化还原的速度控制步骤.较多的表相Ti3 参与还原反应是Ag/TiO2表现出较高催化活性的主要原因,担载Ag上积聚光生电子的较强流动性对反应也起到一定促进作用.     

具有高光催化活性的黑色TiO2（B）/锐钛矿双晶TiO2-x纳米纤维

高效TiO2基光催化材料的开发一直是催化领域的研究热点,主要的策略是如何有效地分离光生载流子.制备多晶相的TiO2材料可引入异质/相结结构使电子与空穴朝不同方向移动,从而避免电子与空穴复合;另外,在TiO2中掺杂其他金属或非金属也可以有效地降低电子与空穴的复合率,掺杂的元素作为电子捕获阱俘获光生电子,以实现电子空穴的有效分离.近些年,作为一种全新的掺杂剂,氧空穴可以有效改善TiO2的光催化活性,所制TiO2具有可见光的全光谱吸收能力,因此该类TiO2呈现出黑色.通过上述方法均可以制备出高活性TiO2基光催化材料,如果能够将这些方法耦合一起,则可能制备出活性更高的光催化剂.因此,本文将异相结结构和空穴掺杂耦合起来,用多孔钛酸盐衍生物在H2中高温焙烧制得一种全新的黑色TiO2(B)/锐钛矿双晶TiO2–x纳米纤维.不同于其他TiO2基光催化材料,该样品仅由Ti和O元素组成,通过Ti和O元素的组合,形成了双晶结构和空穴掺杂两种特殊的结构,借助场发射(FESEM)、拉曼光谱(Raman)、氮气物理吸脱附、X射线光电子能谱(XPS)、热重(TG)、紫外可见漫反射光谱(UV-Vis)和荧光光谱(PL)等表征分析了样品的结构及其光催化性能间构效关系. FESEM结果显示,黑色TiO2(B)/锐钛矿双晶TiO2–x为长1–5mm、宽0.2mm的纤维结构, Raman结果表明,锐钛矿相在特征波段(140 cm–1左右)和TiO2(B)的特征波段(220–260 cm–1)均发生蓝移,说明该两相中均存在氧空穴;该样表面未检测到Ti3+,因此氧空穴可能分散在TiO2(B)和锐钛矿相的体相中.根据黑色TiO2(B)/锐钛矿双晶TiO2–x和白色TiO2(B)/锐钛矿双晶TiO2的失重差,估算出前者的O/Ti原子比为1.97.光催化降解甲基橙实验结果显示,黑色TiO2(B)/锐钛矿双晶TiO2–x的光催化活性是白色双晶TiO2的4.2倍,锐钛矿TiO2的10.5倍,且连续反应10次后未出现失活现象,显示出了良好的光催化稳定性.前期,我们已经证明了白色TiO2(B)/锐钛矿双晶TiO2由于具有TiO2(B)和锐钛矿的异相结结构,致使其电子空穴有效地分离,从而表现出优异的光催化活性;本文的PL结果显示,由于氧空穴的引入,异相结与氧空穴两者共同作用,进一步促进了黑色TiO2(B)/锐钛矿双晶TiO2–x电子与空穴的有效分离,因此黑色TiO2(B)/锐钛矿双晶TiO2–x表现出高的光催化活性.由于其特殊的结构,黑色TiO2(B)/锐钛矿双晶TiO2–x纳米纤维将在环境与能源领域表现出良好的应用前景.     

Sn4+掺杂对TiO2纳米颗粒膜光催化降解苯酚活性的影响

金属离子掺杂能改善TiO2纳米微粒光催化活性,在光降解大气和水污染物的研究中,已引起人们的重视[1,2].实验证明,掺杂物的浓度、掺杂离子的分布、掺杂能级与TiO2能带匹配程度、掺杂离子d电子的组态、电荷的转移和复合等因素对催化剂的光催化活性有直接影响[3].Kamat等[4]曾利用TiO2颗粒与SnO2颗粒混合制膜,使光催化剂活性得到提高.但Sn4+掺杂TiO2用于光催化剂尚少见报道.本文采用等离子体化学气相沉积法(PECVD)[5]制备了Sn4+离子掺杂的TiO2纳米颗粒膜催化剂(TiO2-Sn),考察了其对苯酚的光催化降解活性,讨论了Sn4+离子的掺杂方式及光催化活性提高的机理.     

Fe~(3+)/TiO_2多孔纳米薄膜的制备与光催化活性的研究

本研究采用溶胶 凝胶法制备含铁离子的二氧化钛多孔纳米薄膜,并将其作为光催化剂,光降解反应结果表明,含铁二氧化钛复合纳米薄膜的光催化活性明显提高.光电化学研究表明,铁离子可以形成电荷陷阱,促进空穴的界面传递反应,从而提高了光催化活性.     

Fe、N共掺杂TiO2纳米管阵列的制备及可见光光催化活性

应用电化学阳极氧化法结合浸渍和退火后处理制备了Fe和N共掺杂的TiO2纳米管阵列光催化剂,并用场发射扫描电镜(FESEM)、X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)和俄歇电子能谱(AES)仪对其进行了表征.结果表明,Fe、N共掺杂对TiO2纳米管阵列的形貌和结构没有明显影响,Fe和N均掺入了TiO2晶格.紫外-可见(UV-Vis)漫反射光谱显示Fe和N共掺杂TiO2纳米管阵列的吸收带边较纯TiO2纳米管阵列和单一掺杂TiO2纳米管阵列红移,可见光吸收增强.以可见光催化降解罗丹明B(RhB)考察了材料的光催化活性,Fe和N共掺杂TiO2纳米管阵列对RhB的降解速率较纯TiO2纳米管阵列和单一掺杂TiO2纳米管阵列明显提高,证明了Fe、N共掺杂产生的协同效应提高了TiO2纳米管阵列在可见光照射下的光催化活性.     

铁掺杂TiO_2微米带的制备及其光催化性能

采用模板法与溶胶-凝胶法结合,以脱脂棉为模板制备了掺杂Fe3+的TiO2微米带光催化材料.并利用红外光谱(FTIR)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、X射线衍射(XRD)对掺杂不同比例Fe3+产物的表面形貌及晶型进行了表征.以甲基橙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:以脱脂棉为模板在酸性条件下制备出了宽度5～8μm,厚度约100～500nm的TiO2带状体,此条件下生成的纳米TiO2晶体晶粒直径大小10～30nm,长度100～500nm,呈棒状.且得出当Fe3+掺杂量为0.04%时光催化效果最优,20min对甲基橙的催化效率为91%.     

Photoluminescent Property Effect of Sc3+ on Er3+/y3+/yb3+ Doped Al2O3 Powders

The photoluminescence (PL) property effect of Sc3+ on the Er3+/Y3+/Yb3+ doped Al2O3 powders prepared by sol-gel method has been investigated. The X-ray diffraction (XRD) and transmission electron microscopy (TEM) implied that the distribution of dopants (Er3+ , Y3+ , Yb3+ , Sc3+) was improved effectively with the rise of Sc3+ concentration. The Fourier transform infrared spectra (FTIR) results demonstrated that the ligand around the quenching center -OH and the population of -OH were altered by introducing different amounts of Sc3+ . The PL intensity centered at 1530 nm was increasingly improved with the rise of Sc3+ concentration, as well as the corresponding full widths at the half maximum (FWHM) and lifetime. The optimized PL intensity was 4.7 times higher than that non-Sc3+ doped sample for the Al2O3 powders codoped with 10mol% Sc3+ . This material can be promising candidates for optical fiber amplifier.     

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.     

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。     

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.     

Fe~(3+)掺杂的TiO_2纳米复合粒子的合成及表征

利用酸催化的溶胶-凝胶法合成了一系列不同Fe~(3+)掺杂量的TiO_2纳米复合 料子。用XRD,TEM,UV-vis等技术进行了表征。结果表明：在所研究的掺杂量范围 内(x_B = 0.0005 ～0.1000),未发现有铁氧化物的晶相生成;Fe~(3+)的掺杂可以 实现TiO_2由锐钛矿(anatase)结构向金红石(rutile)结构的低温转化,随着Fe~ (3+)掺杂量的增大,对光的吸收发生红移,吸收强度增大。掺杂适量的Fe~(3+)可 以使TiO_2纳米微粒的光催化活性得以提高。     

Choline Chloride Assisted Synthesis of N and Metal Codoped TiO2 and their Photocatalytic Activity under Visible Light

A few nanocrystalline N,metal codoped TiO₂ (metal = Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu and Zn) have been synthesized by a simple sol–gel method using choline chloride which is biodegradable, low cost, nontoxic ionic salt both as a structure directing agent and source of nitrogen. The prepared samples were well characterized by XRD, HRTEM, FTIR, DRS, EDX, XPS and BET techniques. The photocatalytic activity of all synthesized N, metal codoped TiO₂ has been carried out for the degradation of Reactive Black 5 dye under visible light irradiation and among them, N, Fe codoped TiO₂ was found to be the best for the degradation of Reactive Black 5 dye. The effect of incorporated metals on the photocatalytic activity of the various modified TiO₂ has been discussed in detail based on the mechanism involved in the degradation of dye and their physico‐chemical properties which includes surface area, particle size, defect sites, phase, band gap and electron–hole recombination effect.     

Photochemical reduction of oxygen adsorbed to nanocrystalline TiO(2) films: a transient absorption and oxygen scavenging study of different TiO(2) preparations

Transient absorption spectroscopy (TAS) has been used to study the interfacial electron-transfer reaction between photogenerated electrons in nanocrystalline titanium dioxide (TiO(2)) films and molecular oxygen. TiO(2) films from three different starting materials (TiO(2) anatase colloidal paste and commercial anatase/rutile powders Degussa TiO(2) P25 and VP TiO(2) P90) have been investigated in the presence of ethanol as a hole scavenger. Separate investigations on the photocatalytic oxygen consumption by the films have also been performed with an oxygen membrane polarographic detector. Results show that a correlation exists between the electron dynamics of oxygen consumption observed by TAS and the rate of oxygen consumption through the photocatalytic process. The highest activity and the fastest oxygen reduction dynamics were observed with films fabricated from anatase TiO(2) colloidal paste. The use of TAS as a tool for the prediction of the photocatalytic activities of the materials is discussed. TAS studies indicate that the rate of reduction of molecular oxygen is limited by interfacial electron-transfer kinetics rather than by the electron trapping/detrapping dynamics within the TiO(2) particles.