TiO_2光电催化水处理技术研究进展

TiO2 光电催化水处理是一种电化学辅助的光催化反应技术 ,通过施加外部偏压减少光生电子和空穴的复合 ,从而提高其量子效率使有机污染物彻底矿化。本文综述了TiO2 光电催化的机理、研究进展 ,反应器开发、设计、模型化等方面存在的问题及今后深入研究的方向     

Ag/TiO2聚丙烯负载膜的制备及其光催化与抗菌特性研究

以聚丙烯负载二氧化钛膜为载体,在一定浓度的AgNO3水溶液中,利用光还原在氧化钛膜表面还原Ag,制备载银二氧化钛负载膜,在室光和太阳光下,分别选择Ag/TiO2聚丙烯膜、TiO2聚丙烯膜和活性炭聚丙烯膜,研究膜的抗菌特性和光催化特性.结果表明:Ag/TiO2负载膜由于同时具有Ag和TiO2的双重效用,显示了良好的杀菌特性,无论是在室内还是太阳光下,都没有检测到活的微生物;在水溶液中检测Ag/TiO2负载膜和TiO2负载膜的光催化特性,发现由于银离子的催化活性中心的作用,光催化降解甲基橙的能力与TiO2负载膜相比,能够提高10%左右,显示了良好的光化学特性.     

钛基TiO2纳米管阵列电极的光电催化性能

应用电化学阳极氧化法在纯Ti基底上制备高度有序的TiO2纳米管阵列,考察了Ti/TiO2光阳极的光电化学响应.以苯酚溶液为目标污染物,研究Ti/TiO2电极的光电催化性能,并与光催化性能进行比较.结果表明,该电极光电催化性能优于光催化性能.施加0.6 V电压时,光电催化性能最好.电化学阻抗谱分析显示,光电催化和光催化降解过程的速控步骤均为表面反应步骤,外加偏压减小了界面电荷转移阻抗,提高了光生载流子的分离效率.     

Ag掺杂TiO2纳米管阵列的制备及光电催化降解氨氮废水

采用光化学沉积法、光还原法以及光电沉积法3种不同的掺杂方法 ,通过控制掺杂时间来控制Ag的担载量制备出Ag-TiO2纳米管阵列。采用场发射扫描电镜(FE-SEM)、X-射线衍射(XRD)、X-射线光电子能谱(XPS)、X-射线荧光光谱(PL)对样品进行表征。用氨氮废水的光电催化降解反应评价其催化活性,研究不同的掺杂方法以及不同的Ag担载量对TiO2纳米管阵列光催化性能的影响。结果表明:适量的Ag的引入有利于光催化效率的提高,即Ag的掺杂量存在一个最佳值,光电沉积60 s制备的样品具有最佳的光电催化效率。     

Ag/TiO2复合材料的制备及其对碘离子的吸附研究

利用水解法制备了具有刺状表面结构的球形二氧化钛基体材料,并采用紫外光解法获得了均匀负载的Ag/TiO2材料。利用扫描电子显微镜(SEM)、色散谱(EDS)、傅里叶变换红外光谱仪(FT-IR)和BET等技术手段对材料的结构、形貌、组成成分及比表面积进行了分析表征。开展了Ag/TiO2复合材料对溶液中碘离子的吸附实验研究,考察并讨论了pH值以及共存离子(Cl-、F-、NO3-、SO42-和CO32-)对吸附的影响,结果表明,Ag/TiO2复合材料具有耐酸性强、吸附选择性高、吸附容量大(207mg/g)等特性。     

三维有序大孔复合材料Ag/TiO2的制备与不同模式下的光催化性能

采用聚苯乙烯(PS)微球和EO20PO70EO20(P123)作为模板剂,通过溶胶-凝胶及煅烧后处理等方法制备了三维有序大孔复合材料Ag/TiO2(3DOM Ag/TiO2).经傅里叶变换红外光谱、X射线衍射、紫外-可见漫反射吸收光谱、X射线光电子能谱、N2吸附-脱附测试和扫描电子显微镜配合X射线能量色散谱等测试手段对其组成、结构及形貌等进行了表征.结果显示,该复合材料的孔结构排列整齐有序,孔壁呈现介孔结构且分布均匀,属于三维有序大孔材料.该3DOM Ag/TiO2具有锐钛矿晶相,其Ag以单质形式存在.与商用光催化剂(Degussa P-25)相比,3DOM Ag/TiO2对光的吸收红移至可见区.考察了3DOM Ag/TiO2在紫外光、可见光以及微波辅助等不同模式下光催化降解有机污染物的性能.结果显示,其活性明显高于P-25和Ag/TiO2,且针对不同类型的有机污染物均表现出较好的光催化性能.     

担载Ag对TiO2界面光生电子转移效率的影响

通过采用原位电子顺磁共振（EPR）、紫外-可见漫反射（DRS）、低温液氮吸附技术对光化学还原法合成Ag/TiO2进行表征，比较不同反应气氛，Fe3＋为电子受体及微量H2O2存在情况下TiO2和Ag/TiO2光催化活性变化，阐述了Ag担载对TiO2界面光生电子的传输与捕获效率的影响. Ag捕获的光生电子具有较强流动性，可迅速向Ag/TiO2表面吸附的O2分子或表面Ti4＋传递，在Ag表面产生活性物种或在TiO2表面生成活性反应中心表相Ti3＋，减少光生电子在TiO2的体内俘获生成复合中心即体相内部Ti3＋的几率.适宜尺寸纳米Ag团簇的担载可有效加速光生电子的传输与捕获效率，提高活性物种数量.     

TiO2光电催化水处理技术研究进展

TiO2光电催化水处理是一种电化学辅助的光催化反应技术，通过施加外部偏压减少光生电子和空穴的复合，从而提高其量子效率使有机污染物彻底矿化。本文综述了TiO2光电催化的机理、研究进展，反应器开发、设计、模型化等方面存在的问题及今后深入研究的方向。     

CdSeTe NSs/TiO2 NTs的制备及其光电催化还原CO2的应用

利用水热法将CdSeTe纳米片组装到TiO2纳米管阵列上,制得CdSeTe NSs/TiO2 NTs催化剂.由扫描电子显微镜图(SEM)和高分辨透射电子显微镜图(HRTEM)可知,CdSeTe呈片状均匀平行生长于TiO2 NTs上.X射线衍射(XRD)数据表明片状CdSeTe主要沿着(100)、(002)晶面生长.由紫外可见漫反射光谱(UV-vis DRS)得到材料的能隙为1.48 eV,X射线光电子能谱(XPS)数据得到价带位置为1.02 eV.对材料的光电催化还原性能测试发现,CdSeTe NSs/TiO2 NTs与基底TiO2 NTs相比,光照时对CO2的电流密度明显提高.利用气相色谱检测发现光电催化还原CO2的主产物为甲醇,并对其还原机理从能带匹配理论、电子传输高效性和材料的稳定性三方面进行了解释.     

ZnFe2O4/TiO2纳米管阵列电极的制备及光电催化降解苯酚的研究

采用阳极氧化法和电沉积法制备出具有可见光响应的ZnFe2O4/TiO2纳米管阵列电极.用环境扫描电子显微镜(ESEM)、X-射线衍射(XRD)和透射电子显微镜(TEM)对制备的ZnFe2O4/TiO2纳米管阵列电极的表面形貌和结构进行了表征.结果表明,该方法成功地将ZnFe2O4纳米颗粒均匀分散在TiO2纳米管中,分布在管口处的较少.同时,详细讨论了反应物浓度、沉积时间、循环次数、沉积电压对ZnFe2O4/TiO2纳米管阵列电极性能的影响.通过在可见光下降解苯酚评价了复合电极的光催化活性,实验结果表明:由于ZnFe2O4和TiO2之间的协同效应,复合电极的光响应范围扩展到了可见光区域,光电催化活性提高1.5～2倍.     

Photoelectrocatalytic degradation of 3-nitrophenol at surface of Ti/TiO2 electrode

The widely utilization of phenol and its derivatives such as 3-nitrophenol (3-NP) has led to the worldwide pollution in the environment. In this study, Ti/TiO₂ photoelectrode was prepared with anodic oxidation of Ti foil electrode and then the photoelectrocatalytic (PEC) degradation of 3-NP was performed via this electrode, comparing with photocatalytic (PC), electrooxidation and direct photolysis by ultraviolet light. A significant photoelectrochemical synergetic effect in 3-NP degradation was observed on the Ti/TiO₂ electrode and rate constant for the PEC process of Ti/TiO₂ electrode was about three times as high as its PC degradation process. 3-NP concentration monitoring was carried out with differential pulse voltammetry. Results showed that PEC degradation has highest effect on concentration decreasing of 3-NP at solution and degraded it about 38 %, while other processes degradation efficiencies were about 4, 7, and 12 % for electrooxidation, direct photolysis and photocatalytic degradation, respectively. Finally, effects of solution pH and applied potential on degradation efficiency were studied and results showed that optimum pH for degradation is equal 4.00 and optimum potential is 1.2 V vs. Ag|AgCl|KCl (3M) reference electrode.     

掺杂Yb的TiO2光催化剂的制备和性能

采用溶胶-凝胶法制备了Yb掺杂TiO2纳米光催化剂,并通过XRD和BET等手段进行了表征.以对苯二甲酸作为探针分子,结合化学荧光技术研究了光催化剂表面羟基自由基的生成;并以苯酚为光催化降解反应模型化合物,考察了光催化剂的活性.测定了苯酚在TiO2和Yb掺杂TiO2光催化剂上的吸附常数.结果表明:Yb掺杂使TiO2的粒径减小,比表面积增大,同时导致羟基自由基的生成速率增大.Yb掺杂有利于反应底物在催化剂表面的吸附,Yb的最佳掺入量为Yb/Ti摩尔比=0.8%.     

光电催化降解邻苯二甲酸二乙酯的研究

采用sol-gel法制备TiO2薄膜光电极，以该电极为工作电极，铂丝作对电极，饱和甘汞电极为参比电极，对邻苯二甲酸乙酯的光电催化降解进行了研究。结果表明：该电极具有n型半导体的特征行为，在外加偏压为＋0．7v、pH=2、50mg／L的H2O2中对初始浓度为50mg／L的DEP溶液光照180min降解率达67．85％，讨论了氧的存在、外加偏压等因素对光电催化反应的影响。     

TiO2薄膜光电极能带结构和催化活性的初探

以阳极氧化法制得的TiO₂薄膜光电极为工作电极,铂环为对电极,饱和甘汞电极为参比电极,组成光电催化降解苯酚体系.运用电化学阻抗图谱(EIS),测得光电催化过程中TiO₂薄膜光电极的空间电荷层电容,计算出半导体能带结构参数——空间电荷层宽度W.结果证明:当空间电荷层宽度W随阳极偏压增加而增大时,TiO₂薄膜电极光催化活性提高;当其等于薄膜厚度时,光催化活性最好,此时出现最佳偏压值;继续增加偏压,活性反而有所下降.     

Ag3PO4/Ag2CO3 p-n异质结复合光催化剂的制备及增强的可见光催化性能

半导体光催化氧化技术作为一种“绿色技术”,被广泛应用于环境污染物治理和太阳能转化领域.高效、稳定、可回收利用的催化剂的开发是光催化技术发展的一个重要方向. Ag系半导体光催化剂因在可见光分解水制氢及降解有机污染物等方面表现出优异的催化性能而广受关注.然而,该催化剂失活快制约了其应用.因此,提高Ag系半导体材料的光催化稳定性成为近年来研究的一个热点.研究发现,在半导体的表面或者界面形成p–n异质结是提高催化剂光催化性能和稳定性的有效途径.理论上讲,当p型半导体和n型半导体形成p–n结以后,在两种半导体接触边缘的附近处存在着正、负空间电荷分列两边的偶极层,产生了从n型半导体指向p型半导体的内建电场.内建电场的存在使得p型半导体与n型半导体之间产生了电位差,即内建电势差.这种电势差能够有效促进电子和空穴的分离,达到光生电子和空穴对分离、转移和传递的目的,从而抑制电子和空穴的复合,提高光催化效率. Ag2CO3是p型半导体,其导带为0.21 eV,价带为2.83 eV; Ag3PO4是n型半导体,其导带为0.43 eV,价带为2.86 eV.两者能带结构匹配,能形成p–n异质结.因此,本文采用简单的共沉淀法,制备了不同比例的Ag3PO4/Ag2CO3复合光催化剂,并通过X射线衍射、透射电镜、X射线光电子能谱、紫外-可见漫反射光谱以及瞬态光电压谱等对其进行了表征.透射电镜照片显示,粒径较小的Ag3PO4颗粒均匀的分布在粒径较大的Ag2CO3周围. P元素和C元素的摩尔比接近于投料比. Ag3PO4/Ag2CO3复合催化剂的吸收光谱体现出两种催化剂的混合特征,在可见光区的吸收强度增加.瞬态光电压表征不仅证实了Ag2CO3是p型半导体, Ag3PO4是n型半导体,更说明了40%-Ag3PO4/Ag2CO3复合光催化剂的载流子寿命较长.罗丹明B(RhB)的降解实验证实40%-Ag3PO4/Ag2CO3(Ag3PO4与Ag2CO3的摩尔比为40%：60%)复合催化剂的光催化效率最高,500 W氙灯(附加420 nm截止波长的滤光片)照射15 min后, RhB就能被完全降解,而纯的Ag3PO4和Ag2CO3对RhB的降解率只有40%和10%.循环实验发现,前两次循环中由于单质银的生成导致催化剂活性下降,但从第三次循环开始其催化活性趋于稳定.此外,还通过添加草酸钠(空穴的清除剂)、异丙醇(羟基自由基的清除剂)和对苯醌(超氧自由基的淬灭剂)等来判断光催化过程中起主要作用的活性自由基.实验证实空穴是Ag3PO4/Ag2CO3光催化剂在降解RhB过程中产生的主要活性自由基物种. Ag3PO4/Ag2CO3光催化剂相对于单纯的Ag3PO4和Ag2CO3有更高的空穴产生能力.当可见光照射到复合催化剂表面时, Ag2CO3导带上的激发电子能够快速转移到Ag3PO4的导带上,同时Ag3PO4价带上的光生空穴能够快速转移到Ag2CO3的价带上. p–n结的形成提高了光生电子和空穴的分离效率,抑制了电子和空穴的再结合,因此,复合光催化剂光催化降解效率提高.综上所述, Ag3PO4/Ag2CO3之间能形成有效p–n结,40%-Ag3PO4/Ag2CO3复合光催化剂表现出最佳的光催化性能.     

TiO2/羟基磷灰石的结构及其光催化降解醛类的性能

 采用水热合成和离子交换法相结合制备了不同Ti/(Ti+Ca)摩尔配比的羟基磷灰石负载二氧化钛(TiO2/HAP)光催化剂. 用X射线衍射、拉曼光谱、红外光谱、紫外-可见漫反射光谱和微型连续光反应技术研究了催化剂的晶体结构、表面构造、光响应性能以及光催化降解甲醛和乙醛的性能. 结果表明, Ti/(Ti+Ca)配比是影响TiO2/HAP晶体结构、表面构造和光响应性能的重要因素, Ti/(Ti+Ca)摩尔比为 0.2时, TiO2/HAP为锐钛矿型TiO2和HAP的混合相, TiO2与HAP之间形成了 Ti-O-P 键,二者得到了有效的复合. 复合材料相对于TiO2在漫反射光谱吸光带边上有明显的红移,扩展了材料的吸光域. 在合适的条件下, TiO2/HAP光催化降解甲醛和乙醛的转化率分别达89.2%和82.7%, 矿化率达92.1%和75.2%.     

燃烧剂和前驱体对TiO_2光催化性能的影响

溶胶-凝胶自蔓燃合成也称低温燃烧合成是二十世纪九十年代发展起来的合成工艺.这种依靠反应自身放热使化学反应继续进行并合成出所需材料的技术有以下优点:它点火温度低(300-500℃),点燃后利用原料自身的燃烧放热即可达到化合反应所需的高温;产生气体使形成的粉末不易团聚生长,能够合成均匀、比表面积高的粉体.     

金属离子掺杂的TiO2薄膜的制备及其光催化降解甲苯的性能

 采用溶胶-凝胶法制备了负载于铝板上掺杂金属离子的TiO2薄膜光催化剂,并通过空气中甲苯光催化降解实验评价了其光催化活性. 结果表明,Pt和Fe的掺杂对TiO2薄膜的光催化活性起促进作用,甲苯降解率分别提高了17%和6%; Ag的掺杂引起催化剂失活; Mn的掺杂未对TiO2薄膜的光催化活性起明显促进作用. XRD结果表明,掺杂金属离子前后TiO2均为锐钛矿相; TEM观察到薄膜催化剂微观结构为球形颗粒,粒径分布均匀,平均粒径为19 nm; 紫外漫反射光谱表明,Pt-TiO2薄膜催化剂的反射率几乎为0,表明其对光的吸收能力很强,因而Pt掺杂的TiO2薄膜光催化降解甲苯的活性最高.     

TiO2/海泡石负载型催化剂的制备及其光催化活性

采用混合焙烧方法,制得TiO2/海泡石负载型催化剂,研究了在该催化剂催化作用下,水溶液中邻苯二甲酸二乙酯(DEP)的光催化降解行为.结果表明:催化剂的用量和TiO2的负载量对光催化降解速率都有影响.对于负载型催化剂,TiO2的负载量对其催化活性及DEP的降解速率有较大影响.当使用A101/海泡石催化剂,用量为2 g/L和4 g/L时,TiO2负载量的较佳值均为5%.并对负载型催化剂的形貌及晶型进行了X射线衍射(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)分析.