液相一步合成金红石型超细TiO2

二氧化钛在自然界中存在三种结晶形态:金红石型、锐钛矿型和板钛矿型.金红石型TiO₂因其折射率高,性能优越,因而得到广泛的应用^[1～3].传统金红石型TiO₂的制备需经高温固相反应,经历由无定形→锐钛矿→金红石的转化过程.     

单一板钛矿相TiO2微晶的制备

以新鲜的无定形TiO₂沉淀为前驱体,在水热条件下得到了板钛矿型TiO₂微晶粉末,考察了前驱体制备过程中碱的种类与用量以及水热反应的温度和时间等因素对板钛矿型TiO₂的影响.XRD,TEM和Raman测试表明,所合成的样品具有单一的板钛矿型TiO₂结构,晶相纯度很高,晶粒形状相同且具有完美的内部结构,粒度分布均匀.此板钛矿型TiO₂样品在900℃时开始向金红石结构转化,1000℃时完全转变为金红石结构.     

低量La3+掺杂S-TiO2光催化剂的制备、表征及其光催化活性

采用溶胶-凝胶-浸渍法制备了La³⁺/S-TiO₂纳米光催化剂,通过XRD、BET、XPS、UV-Vis等手段进行了表征.以甲基橙溶液为光催化降解反应的模型化合物,考察了光催化剂的活性,探讨了低量La³⁺掺杂对TiO₂纳米粒子光催化活性的影响机制.实验结果表明:S改性TiO₂后明显提高了TiO₂纳米粒子的光催化活性,而La³⁺掺杂S-TiO₂后,进一步提高了TiO₂纳米粒子的光催化活性,La³⁺的最佳掺杂量(相对于TiO₂的质量分数)为0.369%;La³⁺/S-TiO₂(ω(La³⁺)=0.369%)为纳米光催化剂时,甲基橙的脱色率达到92.4%(光照120min);XRD和BET分析表明,低量La³⁺掺杂抑制了TiO₂由锐钛矿向金红石的转变,阻碍了TiO₂晶粒的生长,提高了TiO₂的比表面积;XPS分析表明,S、La³⁺掺杂可以导致粉体的表面羟基含量增加,掺杂S以S⁶⁺形式置换TiO₂晶格中的Ti⁴⁺;UV-Vis分析表明,光催化剂La³⁺/S-TiO₂比纯TiO₂具有较强的紫外光吸收性能.与纯TiO₂相比,La³⁺掺杂TiO₂纳米粒子光催化氧化活性的提高应归因于La³⁺掺杂增加了表面羟基含量,增大了比表面积,增强了样品表面的紫外光吸收能力.     

不同制备条件对TiO2/beads光催化活性的影响

以空心玻璃微球为载体,采用浸涂法制备TiO₂/beads光催化剂;利用X射线衍射、扫描电镜、热分析对TiO₂/beads进行了表征。研究了不同制备条件对TiO₂/beads光催化活性的影响。结果表明,热处理600℃,5h,A/R为81/19时,TiO₂/beads光催化活性最高;样品由非晶向锐钛矿型转变的温度为429℃,当锐钛矿型TiO₂与金红石型TiO₂以一定的比例共存时,TiO₂/beads的光催化活性较好.     

SO42-/MxOy型固体超强酸催化剂研究(Ⅰ)

合成了一种新的SO₄^2-/M_xO_y型固体超强酸-SO₄^2-/ZrO₂-Fe₂O₅,研究了它对正戊烷反应的活性与选择性;制备并测定了SO₄^2-/TiO₂固体超强酸对正戊烷的异构化活性与裂解活性及其某些物性;重复合成了文献报导的SO₄^2-/ZrO₂固体超强酸并测定了它对正戊烷异构化的催化性能,表明所采用的测定方法与所得结果可与文献值相比较。     

模拟太阳光下稀土Gd掺杂TiO2纳米晶的光催化性能研究

以甲基橙的光催化降解为探针反应,采用氙灯模拟自然条件下的太阳光,评价了通过酸催化的溶胶-凝胶法制备的稀土Gd掺杂改性TiO₂纳米晶的光催化活性及对甲基橙水溶液TOC的去除效果.运用XRD和UV-Vis DRS表征技术考察了Gd掺杂对纳米TiO₂的微晶尺寸、晶体结构与光学性能的影响.结果表明,Gd掺杂可以抑制TiO₂由锐钛矿相向金红石相的转变,阻碍TiO₂晶粒增长,使TiO₂的光吸收带边发生蓝移且有利于对可见光的吸收,从而使Gd掺杂TiO₂在模拟太阳光下光催化降解甲基橙的能力得到明显提高,但样品对甲基橙水溶液TOC的去除效果要滞后于其对色度的去除.     

TiO2光催化消除H2S的研究

在TiO₂上进行了气相H₂S光催化氧化消除的研究.氧对H₂S的光催化氧化消除过程是不可缺少的,对含量为560mg/m³的H₂S,当加入的氧气与原料气中H₂S的分子比为42:1,空速为28000h^-1时,去除率达到97%.在H₂S光催化氧化消除过程中,单质硫的产生可使TiO₂失活,经光照再生单质硫转化为SO₄^2-后,TiO₂活性恢复,而且SO₄^2-的生成对催化剂的中毒有抑制作用.     

明胶对纳米二氧化钛相变和光催化活性的影响

以明胶为分散剂采用溶胶-凝胶法制备了纳米晶TiO₂粉末.通过XRD、TG-DTA、AFM、N₂吸附-解吸等手段,考察了明胶对TiO₂煅烧过程中相变和平均粒径的影响;用光催化降解甲基橙检测了明胶用量对样品光催化活性的影响.结果表明:明胶的存在抑制了TiO₂由无定形向锐钛矿的相变,降低了锐钛矿向金红石的相变温度;同时,TiO₂纳米晶的平均粒径也随明胶用量的增加而减小.600℃煅烧样品的光催化活性随明胶用量的增加而提高;800℃煅烧样品在m_G:m_TBOT(明胶与钛酸四丁酯的质量比)=1:8时,具有最高的光催化活性.     

焙烧处理下二氧化钛/钛酸盐纳米材料晶型和形貌的变化规律研究

通过调控酸碱浓度, 在水热条件下得到了金红石、锐钛矿、板钛矿、钛酸钠等一系列TiO₂/钛酸盐产物. 对上述TiO₂、酸洗处理后的钛酸盐等一系列不同晶型、不同形貌的样品进行焙烧处理, 系统性地研究焙烧温度的逐渐升高对产物晶型转变和形貌演化的规律性影响. 给出了水热酸碱浓度以及焙烧温度两个因素与TiO₂/钛酸盐纳米材料晶型和形貌变化行为关系的二维示意图. 依据奥斯特瓦尔德阶梯规则、经典热力学理论以及定向附着生长机理, 对TiO₂/钛酸产物的晶型晶体生长、晶型转变和形貌演化机理进行了探讨.     

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.     

CeO2的形貌特征对Ni/CeO2催化剂CO甲烷化性能的影响

通过改变制备方法合成了不同形貌的CeO_2载体(包括球状CeO_2-S、花苞状CeO_2-F和多面体状CeO_2-P),并用氨水配位浸渍法制备了Ni/CeO_2催化剂。研究了CeO_2载体结构与Ni/CeO_2催化剂上CO甲烷化反应性能的关系。结果表明,CeO_2-S、CeO_2-F和CeO_2-P载体暴露的晶面和氧空位不同,对Ni/CeO_2催化剂催化活性影响也不相同。CeO_2-S氧空位最多,Ni/CeO_2-S在350℃下CO转化率和CH4选择性分别达到99.19%和88.88%。10 h热稳定性测试结果表明,Ni/CeO_2-S催化剂上的积炭量最少(2.5%),CH4选择性一直保持在80%左右,分别是Ni/CeO_2-F的1.3倍和Ni/CeO_2-P的17.6倍。这主要归因于CeO_2-S载体比表面积较大,主要暴露[111]晶面,且表面氧空位含量较多,使Ni/CeO_2-S催化剂的载体与活性中心的相互作用增强,从而呈现出优异的抗积炭性能。     

One Step Preparation of Highly Dispersed TiO2 Nanoparticles

A facile approach was developed to prepare highly dispersed TiO₂ nanoparticles with selected phase. The crystallization phase of the nanoparticles can be easily tuned from anatase to rutile by the dosage of hydrochloric acid in the reaction system. The crystallite size of the as-prepared anatase TiO₂ nanoparticles was ca. 3.2 nm with high dispersion. A transparent TiO₂ colloid was obtained by dispersing the as-prepared anatase TiO₂ nanoparticles in deionized water without any organic additives added. The concentration of TiO₂-H₂O colloid can be as high as 1600 g/L. The optical transmittance of TiO₂-H₂O colloid with a low concentration was nearly 100% in the visible region. Furthermore, anatase TiO₂ nanoparticles(TiO₂-NPs) showed superior photocatalytic performance compared to rutile TiO₂-NPs.     

不同晶相TiO2负载Cu2O催化甲醛乙炔化反应

分别以金红石相和锐钛矿相TiO₂为载体, 采用液相还原-沉积法制备了Cu₂O/TiO₂催化剂. 采用氮气物理吸附-脱附(N₂-physisorption)实验、 氢气程序升温还原(H₂-TPR)、 X射线衍射(XRD)、 X射线光电子能谱(XPS)、 CO红外光谱(CO-IR)及高分辨透射电子显微镜(HRTEM)等技术, 研究了不同晶相TiO₂载体对Cu₂O/TiO₂结构及其催化甲醛乙炔化反应性能的影响. 结果表明, 以金红石相TiO₂为载体的催化剂炔化活性明显高于以锐钛矿相TiO₂为载体的催化剂, 原因在于金红石相TiO₂主要暴露(110)晶面, 其与铜物种的配位环境及较高的空位密度形成了更多的Cu—O—Ti结构物种, 表现为Cu₂O与TiO₂之间强的相互作用. 这导致Cu₂O高效转变为乙炔亚铜活性物种, 并保持了较高的分散度与稳定性, 抑制了过度还原物种金属Cu的生成, 进而使催化剂表现出较高的催化性能.     

ESR investigation into the effects of heat treatment and crystal structure on radicals produced over irradiated TiO2 powder

Electron spin resonance measurements were carried out at 77 K under irradiation for anatase TiO₂ powders treated by heating at various temperatures in the air. For the untreated powder photoproduced holes were trapped at the surface forming Ti⁴⁺O⁻Ti⁴⁺OH⁻ radicals, while, for the heated powder, they were trapped as Ti⁴⁺O²⁻Ti⁴⁺O⁻ radicals at the surface. Photoproduced electrons were trapped as Ti³⁺ at the desorption of surface hydroxyl groups and the change in the surface accompanied by the crystalline growth. No photoproduced radicals were detected for rutile TiO₂ powder, which may explain the low photocatalytic activity of this crystalline structure.     

SnO_2/TiO_2纳米管复合光催化剂的性能及失活再生

基于微波水热法和微乳液法合成SnO2/TiO2纳米管复合光催化剂.通过X射线衍射(XRD)、配有能量色散X射线光谱仪(EDX)的透射电镜(TEM)和电化学手段对光催化剂进行表征.以甲苯为模型污染物,考察光催化剂在紫外光(UV)和真空远紫外光(VUV)下的性能及失活再生.结果表明,SnO2/TiO2纳米管复合光催化剂形成三元异质结(锐钛矿相TiO2(A-TiO2)/金红石相TiO2(R-TiO2)、A-TiO2/SnO2和R-TiO2/SnO2异质结),促使光生电子-空穴对的有效分离,提高光催化活性.SnO2/TiO2表现出最佳的光催化性能,UV和VUV条件下的甲苯降解率均达100%,CO2生成速率(k2)均为P25的3倍左右.但由于UV光照矿化能力不足,中间产物易在催化剂表面累积.随着UV光照时间的增加,SnO2/TiO2逐渐失活,20 h后k2由138.5 mg·m-3·h-1下降到76.1 mg·m-3·h-1.利用VUV再生失活的SnO2/TiO2,过程中产生的·OH、O2-·、O(1D)、O(3P)、O3等活性物质可氧化吸附于催化剂活性位的难降解中间产物,使催化剂得以再生,12 h后k2恢复到143.6 mg·m-3·h-1.UV和VUV的协同效应使UV降解耦合VUV再生成为一种可持续的光催化降解污染物模式.     

混合相二氧化钛石墨烯复合物的制备及光催化性能

采用水热法制备了一系列混合相二氧化钛-石墨烯(TrG)的复合物, 并考察了石墨烯的用量对降解污染物甲基蓝的影响. 采用X射线衍射(XRD), 傅里叶变换红外(FTIR)光谱, 高分辨透射电镜(HRTEM), 拉曼光谱,紫外-可见漫反射吸收光谱(UV-Vis DRS), X射线光电子能谱(XPS)和比表面积(BET)等测试手段对复合材料进行表征. 结果表明, 复合材料中TiO₂为棒状的混合相, 且均匀分散在石墨烯表面. 由于石墨烯良好的吸光性能,混合相中的异质结和复合物的良好光电子传递能力以及高比表面积, 复合材料具有较高的光催化活性. 所制备的TrG复合材料在紫外光下降解甲基蓝的催化活性均高于纯TiO₂, 且当氧化石墨烯负载量为0.8% (质量分数,w)时, 复合材料TrG具有较好的光催化效果.     

一维TiO2锐钛矿/金红石异相结的制备及光催化降解甲醛性能

TiO₂异相结主要通过高温方法制备,所制备材料的形貌和组成较难控制,尤其是在较低温度下一步制备一维TiO₂异相结仍具有一定的挑战性。采用简单、方便的一步水热法,在较低温度下(180℃)制备了一维纳米TiO₂异相结材料。X射线衍射(XRD)和高分辨透射电镜(HRTEM)分析表明,制备的材料以一维金红石相TiO₂纳米棒(长度:(400±50)nm,直径:(60±5)nm)为基本结构,粒径分布均匀的锐钛矿相TiO₂纳米粒子(直径:(9.5±0.5)nm)高密度、单分散地负载在纳米棒上。通过控制水热反应时间成功调控了异相结中锐钛矿相TiO₂的含量(20%~50%),进而实现了其光催化降解HCHO性能的调控。实验结果表明,当锐钛矿相TiO₂的含量为33%时(TiO₂-24,水热时间24 h制备的样品),异相结光催化剂表现出最佳的HCHO降解性能:在低光强LED灯(波长为365 nm,光强为12.26 mW·cm^-2)照射下,浓度约为120 mg·L^-1的HCHO气体在25 min后的降解率达到了92%,实现了高效、快速地去除空气中的HCHO(矿化为CO₂)。稳态荧光光谱和光电化学测试表明,与其他水热时间的样品相比,TiO₂-24具有更高效的光生电荷分离和传输效率。一维TiO₂异相结不仅有利于光生电荷的传输,而且对电荷的分离具有定向驱动作用,使其具有较高的光催化降解HCHO性能。     

Electrochemical and gas-phase photocatalytic performance of nanostructured TiO2(B) prepared by novel synthetic route

Nanostructured phase pure TiO₂(B) with microfibrous morphology was synthesized by newly developed protocol employing amorphous TiO₂ as a precursor. Compared to traditional syntheses from K₂Ti₄O₉, the new product exhibited better electrochemical performance and stability. Cyclic voltammetry of Li-insertion into the TiO₂(B) evidences a pseudocapacitive faradaic process of Li accommodation which is basically different from the diffusion-controlled lithium storage in anatase or rutile. The presence of two pairs of peaks in cyclic voltammogram with formal potentials of ca. 1.5 and 1.6 V is specific for TiO₂(B). This enables to use cyclic voltammetry for identification of this phase in a broad palette of TiO₂ materials of various origin.

The photocatalytic activity of TiO₂(B) in a gas phase was evaluated using the total oxidation of propane with oxygen and the photocatalytic reduction of NO to N₂ in an oxygen rich gas mixture. For the total oxidation of propane in the gas mixture containing 300 ppm propane and 20% oxygen, the reaction rates per 1 m²/g of the BET surface area of the catalyst for TiO₂(B) prepared by our protocol and Hombifine N (anatase, S_BET = 300 m²/g) are comparable. For the photocatalytic NO reduction to N₂ in an atmosphere containing 20% oxygen the ratio of quantum yields for TiO₂(B) and Hombifine N was found to be 0.08, which is roughly equivalent to the ratio of their BET surface areas (0.09), despite different phase composition of both materials. In comparison with the standard catalyst our material exhibited higher selectivity in the reduction of NO to N₂.     

Foam-structured Activated Carbon-ceramic as TiO2 Supports for Photocatalytic Degradation of Phenol

An activated foam-structured carbon-ceramic(AFCC) was prepared and investigated as TiO₂ support for the photocatalytic degradation of phenol. AFCC and TiO₂/AFCC catalysts were characterized by N₂ adsorption- desorption and X-ray diffraction(XRD). The effects of AFCC on the photocatalytic activity and the crystallinity of TiO₂ were studied. The results show that the crystallinity and anatase/rutile ratio of TiO₂ loaded on AFCC could be significantly influenced by the calcination temperature. The degradation rate of phenol benefited from the synergistic effects of the adsorption of activated carbon(AC) and the photocatalysis of TiO₂, which suggests that a high surface area of AC is essential to achieve high degradation rates and efficiencies. It was found that the larger mean cell size of AFCC increased the light transmission within the foam.     

氟钒锰共掺对TiO2柱撑膨润土光催化脱硝性能的影响

采用溶胶-凝胶法制备氟钒锰共掺改性的TiO₂柱撑膨润土，使用XRD、氮吸附、UV-vis光谱和SEM等手段对其进行了表征测试，并对其室温下的可见光催化脱硝性能进行了评价研究。结果表明，对于NO质量浓度为661 μg/m³的气体，F-V-Mn共掺TiO₂柱撑膨润土的光催化脱除效率近似达到100%，而NO质量浓度提升至1657 μg/m³时，光催化效率为81.9%，与未柱撑的F-V-Mn共掺TiO₂相比提高了33.8%。F-V-Mn共掺TiO₂柱撑膨润土上光催化脱反应速率常数最大，是V-Mn共掺TiO₂柱撑膨润土的2倍，且前者的抗水和抗SO₂中毒能力也更强。TiO₂柱撑不仅保留了膨润土的片状晶体结构，而且使膨润土层间距由0.667 nm增大至0.710 nm，吸附能力增强；同时，掺杂元素能抑制TiO₂金红石相生长，降低TiO₂禁带宽度，提高可见光响应，延长使用寿命，拓宽应用范围。