非金属掺杂改性TiO2光催化剂的机理

为了扩展TiO2光催化剂对可见光的利用,以非金属元素对其进行掺杂和改性是近年来很活跃的研究内容,文献报道主要有氮、碳、硫、氟等非金属元素的改性结果.各种不同的改性方法如高温气氛还原、脉冲激光沉积、离子溅射、机械化学、溶液湿法等都可以得到非金属元素改性.本文重点探讨了氮改性TiO2光催化剂的结果,氮改性TiO2的方法和改性机理,讨论了氮改性TiO2的结构及其对可见光的利用机理等,对碳、硫、氟等元素掺杂改性也作了简要介绍.     

非金属掺杂改性TiO_2光催化剂的机理

为了扩展TiO2光催化剂对可见光的利用,以非金属元素对其进行掺杂和改性是近年来很活跃的研究内容,文献报道主要有氮、碳、硫、氟等非金属元素的改性结果。各种不同的改性方法如高温气氛还原、脉冲激光沉积、离子溅射、机械化学、溶液湿法等都可以得到非金属元素改性。本文重点探讨了氮改性TiO2光催化剂的结果,氮改性TiO2的方法和改性机理,讨论了氮改性TiO2的结构及其对可见光的利用机理等,对碳、硫、氟等元素掺杂改性也作了简要介绍。     

非金属改性可见光诱导的TiO2光催化

为拓展二氧化钛的光响应波长范围并提高其光催化活性,通常采用掺杂金属、金属氧化物或金属离子的方法.大量研究表明,掺杂金属、金属氧化物或金属离子往往以损失TiO2光催化剂在紫外光区的光催化活性为代价,而掺杂非金属离子不但能将TiO2的光响应波长拓展至可见光区域外,还能保持在紫外光区的光催化活性,在利用太阳光光催化方面展现出崭新的应用前景.本文综述了非金属氮、碳、硫、氟等掺杂改性二氧化钛光催化的最新进展.     

非金属改性可见光诱导的TiO_2光催化

为拓展二氧化钛的光响应波长范围并提高其光催化活性,通常采用掺杂金属、金属氧化物或金属离子的方法。大量研究表明,掺杂金属、金属氧化物或金属离子往往以损失TiO2光催化剂在紫外光区的光催化活性为代价,而掺杂非金属离子不但能将TiO2的光响应波长拓展至可见光区域外,还能保持在紫外光区的光催化活性,在利用太阳光光催化方面展现出崭新的应用前景。本文综述了非金属氮、碳、硫、氟等掺杂改性二氧化钛光催化的最新进展。     

非金属改性可见光诱导的TiO2光催化

为拓展二氧化钛的光响应波长范围并提高其光催化活性，通常采用掺杂金属、金属氧化物或金属离子的方法。大量研究表明，掺杂金属、金属氧化物或金属离子往往以损失TiO2光催化剂在紫外光区的光催化活性为代价，而掺杂非金属离子不但能将TiO2的光响应波长拓展至可见光区域外，还能保持在紫外光区的光催化活性，在利用太阳光光催化方面展现出崭新的应用前景。本文综述了非金属氮、碳、硫、氟等掺杂改性二氧化钛光催化的最新进展。     

氟掺杂提高纳米二氧化钛光催化活性的研究进展

纳米二氧化钛(TiO2)具有光催化活性高、无毒、化学性质稳定、成本低等优点,是目前最具发展前景的光催化剂。但TiO2的宽禁带和低量子效率限制了它的实际应用。因此,对TiO2进行改性研究,实现TiO2的可见光响应和提高其量子效率成为研究的热点。氟掺杂不仅能够使TiO2具有可见光催化活性,而且可提高其紫外光催化活性。本文综述了氟掺杂TiO2的制备,氟掺杂提高TiO2光催化活性的机理、氟与其他元素共掺杂TiO2的研究进展。     

稀土掺杂TiO2光催化的研究进展

利用稀土掺杂对TiO2进行改性以实现可见光响应和提高量子效率是提高光催化剂活性的重要方法之一.总结了国内外利用稀土掺杂TiO2催化剂的制备方法及利用稀土掺杂对TiO2进行改性以提高其光催化效率的研究结果,分析了稀土元素种类、掺杂量等因素对光催化活性的影响.     

碳和钇共掺杂对混相TiO2光催化性能的影响

TiO2因其毒性低、稳定性高、制备成本低廉而获得广泛应用,特别是作为光催化剂在降解环境污染物方面受到了广泛关注;然而,纯TiO2较大的光生载流子复合率和较宽的带隙限制了其应用.元素掺杂作为一种拓宽光催化剂光吸收能力的方法广泛应用于各种光催化剂的修饰改性,而两种具有光催化性能的TiO2相共存则能有效抑制光生载流子的复合,因此采取合适的方法有效利用这两种TiO2改性的方法制备得到更具实际应用潜质的光催化剂具有一定的可行性.本文通过简单的溶胶-凝胶过程向锐钛矿相与金红石相组成的混相TiO2中共掺杂碳和钇得到了一种活性较高的可见光响应光催化剂.采用粉末X射线衍射、拉曼光谱、X射线光电子能谱和透射电镜等表征手段研究了碳和钇掺杂对TiO2结构的影响,发现碳掺杂有利于金红石相的形成且材料具有更大的晶粒尺寸,钇掺杂则有利于锐钛矿相的形成且能细化材料的晶粒尺寸,提高材料的比表面积,导致材料更好的光催化活性.材料在30 W荧光灯光照条件下的光催化降解亚甲基蓝(MB)性能的研究显示,C-Y-TiO2样品具有比单掺杂和未掺杂样品更高的光催化活性,其顺序为C-Y-TiO2>Y-TiO2>C-TiO2>TiO2≈P25.此外,降解反应动力学研究表明C-Y-TiO2样品光降解MB的速率是未掺杂样品在相同条件下降解速率的3.5倍.不同钇掺杂含量样品的结构和光催化降解MB的研究结果表明,钇掺杂显著促进了锐钛矿相TiO2的形成.这说明钇可能仅掺杂进入锐钛矿相,因此合适的钇掺杂量才能有效形成最优化的光催化性能的混相TiO2.不同热处理温度下获得的样品的光降解MB特性也表明,一定的热处理温度有利于合适的锐钛矿相和金红石相的组成,从而有利于相间的协同效应.紫外-可见光谱和荧光光谱表征分析表明,碳和钇的掺杂都拓展了其吸收光谱到可见光区域,且抑制了光生电子和空穴对的复合,进而提高了材料的光催化活性.碳和钇共掺杂的混相TiO2具有较高可见光光催化活性的主要原因有两个方面:一是元素掺杂减小了TiO2的带隙使得材料具有可见光响应;二是金属和非金属元素在锐钛矿相与金红石相TiO2中不同的掺杂特性形成的协同效应,抑制了光生电子和空穴的复合.     

氮掺杂改性二氧化钛光催化剂的研究进展

综述了近年来国内外利用氮掺杂改性二氧化钛的光催化剂性能、提高可见光的利用效率的最新研究进展;分析和讨论了氮掺杂二氧化钛的制备方法、理论计算和结构模型、掺杂机理等;总结了氮掺杂改性二氧化钛存在的问题,同时讨论了今后的研究方向.     

N掺杂TiO_2纳米管阵列的制备及可见光光催化性能研究

分别以氨水、乙二胺、丁胺为氮源,利用阳极氧化法和湿化学法合成氮掺杂的二氧化钛(TiO2)纳米管阵列.通过扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)等表征方法对氮掺杂TiO2纳米管形貌,晶型和氮元素掺杂方式进行分析,并通过可见光光催化降解六氯苯(HCB)废水,研究氮元素掺杂方式与可见光光催化活性的关系.结果表明有序排列的TiO2纳米管阵列垂直生长在钛基底表面,管长500nm左右,管径100nm左右.氮元素掺杂阻碍了TiO2晶粒的增长,抑制了锐钛矿向金红石相的转变.无机氮比有机氮更加利于氮元素进入TiO2晶格,取代态氮比间隙态氮表现出更高的可见光光催化活性.     

非金属掺杂石墨相氮化碳光催化的研究进展与展望（英文）

自从Fujishima和Honda利用TiO_2光阳极和Pt电极成功实现太阳能光电化学分解水之后,光催化被认为是解决环境污染和能源短缺两大问题最有前景的方法之一,因为该技术可以有效的利用太阳能这种地球上最丰富的能源来驱动多种不同的催化反应实现能源生产和环境净化,比如:水分解、CO_2还原、有机污染物降解和有机合成等。除了金属氧化物、金属硫化物和金属氮氧化物等多类金属化合物半导体光催化剂,近几年,石墨相氮化碳(g-C_3N_4)因其原料来源广泛、无毒、稳定以及相对较窄的带隙(2.7 eV)而具备可见光响应等特点,在光催化领域获得了广泛的重视。然而,gC_3N_4对太阳光谱中可见光的吸收效率较低且光生电子和空穴复合严重,导致其光催化活性处于较低水平。至今,研究人员已经开发出多种提高g-C_3N_4光催化活性的方法,如元素掺杂、微纳结构和异质结构设计和助催化剂修饰等。元素掺杂被证明是调节g-C_3N_4独特电子结构和分子结构的有效方法,可以大幅扩展其光响应范围,并促进光生电荷分离。特别地是,非金属元素掺杂以提高g-C_3N_4的光催化活性已经得到很好的研究。通常用于掺杂g-C_3N_4的非金属元素是氧(O)、磷(P)、硫(S)、硼(B)、卤素(F、Cl、Br、I)和其他非金属元素(如碳(C)和氮(N)自掺杂),因为这些非金属元素有着易于获取的原材料并可以较为简单的引入g-C_3N_4骨架结构中。在这篇综述文章中,作者首先介绍了g-C_3N_4的结构和光学性质,接着简要介绍了光催化剂的g-C_3N_4的改性;然后详细回顾了非金属掺杂改善g-C_3N_4光催化活性的进展,同时总结了光催化机理以期更好地理解光催化的本质并指导新型g-C_3N_4光催化剂的开发。最后,对g-C_3N_4光催化剂的后续研究进行了展望。     

氮-硫共掺杂二氧化钛光催化剂的制备及其可见光催化活性

采用研磨煅烧法,以硫脲(TU)作为氮源和硫源,H2TiO3(HT)为TiO2的前驱体,制备了不同TU/HT比例的N,S共掺杂TiO2光催化剂(NS/TiO2);利用X射线衍射仪、透射电镜、X射线光电子能谱仪、拉曼光谱仪、紫外-可见吸收光谱仪等分析了NS/TiO2的晶体结构、显微形貌、典型元素的化学状态以及光谱性质;利用BET法测定了NS/TiO2的比表面积,同时测定了其在可见光照下催化降解罗丹明B的活性.结果表明,当TU/HT质量比为0.5时,NS/TiO2的光催化活性最佳,光照70min时的罗丹明B降解率为44.4%.氮元素以NH3形式吸附在TiO2表面,硫元素以S6+形式存在,部分S6+取代Ti 4+的位置.与此同时N,S共掺杂使得TiO2的禁带宽度减小,可见光催化活性提高.     

硼硫共掺杂TiO2的光催化性能及掺杂机理

采用水热法制备了硼硫共掺杂的TiO2光催化剂(TiO2-B-S),并用其光催化降解甲基橙.结果表明,在240℃下水热反应12h时制得的TiO2-B-S具有较高的催化活性,紫外光照射50min和太阳光照射230min时对甲基橙的降解率分别达99.8%和81%.X射线粉末衍射、紫外-可见漫反射光谱和X射线光电子能谱等研究表明,TiO2-B-S为锐钛矿晶型,硫硼掺杂能抑制TiO2粒径的生长;TiO2-B-S同时具有较高的紫外光和可见光活性的原因可能是掺杂的硼以B3 进入晶格中,导致TiO2晶格畸变,带隙变窄.掺杂的硼和硫还提高了TiO2的表面酸度和对可见光的吸收.     

铬和硫共掺杂二氧化钛催化剂的制备及其可见光催化性能

以钛酸四丁酯为前驱体,硝酸铬和硫脲为掺杂离子给体,通过溶胶-凝胶法成功制备了纯TiO2、不同浓度的铬掺杂和铬/硫共掺杂TiO2光催化剂.以靛红为目标污染物,进行了可见光催化降解活性测试实验.结果表明,共掺杂催化剂的活性高于未掺杂和单掺杂催化剂.当共掺杂催化剂含0.60%(原子比)的铬,1.2%(原子比)的硫,焙烧温度为500℃时具有最高的光催化降解活性.X射线衍射、N2吸附、X射线光电子能谱和紫外-可见漫反射吸收光谱表征结果显示,共掺杂催化剂为锐钛矿型,具有较高的比表面积,对可见光有较强的吸收能力.共掺杂TiO2具备较高可见光催化活性的原因可能是铬掺杂降低了TiO2的禁带宽度,拓展了可见光吸收区域,而硫掺杂能够维持体系的电荷平衡,增强催化剂对可见光的吸收.     

阴离子掺杂TiO2的芯位移和热力学性质的第一性原理研究

采用第一性原理计算考察了阴离子(硼、碳、氮、氟、磷、硫)掺杂的二氧化钛(包括锐钛矿相和金红石相)。芯位移计算结果表明,在氮掺杂的TiO2中,间隙掺杂类型的N的1s能级在XPS能谱上峰的位置要比替代掺杂的能级高,类似的结果也在硼、碳、磷和硫掺杂的TiO2上发现。然而对于F掺杂的TiO2,替代掺杂的峰位置比间隙掺杂的高,且与TiO2的晶相无关。还对阴离子掺杂的TiO2进行了热力学研究。结果表明,替换掺杂的形成焓高于间隙掺杂的,因此替代掺杂的TiO2的制备需要苛刻的条件,而间隙掺杂TiO2的制备只需温和的湿化学条件。     

阴离子掺杂TiO2的芯位移和热力学性质的第一性原理研究

采用第一性原理计算考察了阴离子(硼、碳、氮、氟、磷、硫)掺杂的二氧化钛(包括锐钛矿相和金红石相)。芯位移计算结果表明,在氮掺杂的TiO2中,间隙掺杂类型的N的1s能级在XPS能谱上峰的位置要比替代掺杂的能级高,类似的结果也在硼、碳、磷和硫掺杂的TiO2上发现。然而对于F掺杂的TiO2,替代掺杂的峰位置比间隙掺杂的高,且与TiO2的晶相无关。还对阴离子掺杂的TiO2进行了热力学研究。结果表明,替换掺杂的形成焓高于间隙掺杂的,因此替代掺杂的TiO2的制备需要苛刻的条件,而间隙掺杂TiO2的制备只需温和的湿化学条件。     

碳和钇共掺杂对混相TiO_2光催化性能的影响（英文）

TiO_2因其毒性低、稳定性高、制备成本低廉而获得广泛应用,特别是作为光催化剂在降解环境污染物方面受到了广泛关注;然而,纯TiO_2较大的光生载流子复合率和较宽的带隙限制了其应用.元素掺杂作为一种拓宽光催化剂光吸收能力的方法广泛应用于各种光催化剂的修饰改性,而两种具有光催化性能的TiO_2相共存则能有效抑制光生载流子的复合,因此采取合适的方法有效利用这两种TiO_2改性的方法制备得到更具实际应用潜质的光催化剂具有一定的可行性.本文通过简单的溶胶-凝胶过程向锐钛矿相与金红石相组成的混相TiO_2中共掺杂碳和钇得到了一种活性较高的可见光响应光催化剂.采用粉末X射线衍射、拉曼光谱、X射线光电子能谱和透射电镜等表征手段研究了碳和钇掺杂对TiO_2结构的影响,发现碳掺杂有利于金红石相的形成且材料具有更大的晶粒尺寸,钇掺杂则有利于锐钛矿相的形成且能细化材料的晶粒尺寸,提高材料的比表面积,导致材料更好的光催化活性.材料在30 W荧光灯光照条件下的光催化降解亚甲基蓝(MB)性能的研究显示,C-Y-TiO_2样品具有比单掺杂和未掺杂样品更高的光催化活性,其顺序为C-Y-TiO_2Y-TiO_2C-TiO_2TiO_2≈P25.此外,降解反应动力学研究表明C-Y-TiO_2样品光降解MB的速率是未掺杂样品在相同条件下降解速率的3.5倍.不同钇掺杂含量样品的结构和光催化降解MB的研究结果表明,钇掺杂显著促进了锐钛矿相TiO_2的形成.这说明钇可能仅掺杂进入锐钛矿相,因此合适的钇掺杂量才能有效形成最优化的光催化性能的混相TiO_2.不同热处理温度下获得的样品的光降解MB特性也表明,一定的热处理温度有利于合适的锐钛矿相和金红石相的组成,从而有利于相间的协同效应.紫外-可见光谱和荧光光谱表征分析表明,碳和钇的掺杂都拓展了其吸收光谱到可见光区域,且抑制了光生电子和空穴对的复合,进而提高了材料的光催化活性.碳和钇共掺杂的混相TiO_2具有较高可见光光催化活性的主要原因有两个方面:一是元素掺杂减小了TiO_2的带隙使得材料具有可见光响应;二是金属和非金属元素在锐钛矿相与金红石相TiO_2中不同的掺杂特性形成的协同效应,抑制了光生电子和空穴的复合.     

《化学通报》网络版(Chemistry Online)2005年第6期论文摘要

[w062]非金属元素掺杂改性TiO2的光催化性能ThePhotocatalyticPerformanceofNonmetalElementsDopingTiO2蔡河山刘国光#余林熊心美#(广东工业大学轻工化工学院#环境科学与工程学院广州510090)通过非金属掺杂改性的方法可以将只能UV光激发的TiO2光催化反应红移到可见光区域进行。文中介绍了非金属N、S等元素掺杂改性TiO2,指出金属与非金属复合掺杂改性TiO2是今后的一个重要研究方向,并存在巨大的研究空间。ThroughthemethodofnonmetalelementsdopingandmodifyingTiO2,thephotocatalyticreactionwhichexcitedonlyunder UV_lightcanbe…     

可见光响应的氯掺杂TiO2的制备、表征及其光催化活性

 采用HCl水解钛酸四丁酯制备了可见光响应的氯掺杂TiO2光催化剂,并用X射线衍射线、透射电子显微镜、 X射线光电子能谱(XPS)和紫外-可见漫反射吸收光谱等测试手段对其结构进行了表征. 结果表明,氯元素的引入降低了无定形相向锐钛矿转变以及锐钛矿向金红石相转变的温度. 300 ℃焙烧的氯掺杂TiO2吸收波长拓展到可见光区,且XPS证实氯元素以阴离子形式存在于TiO2晶格中. 苯酚降解实验表明, 在大于400 nm的可见光照射下, 300 ℃焙烧的氯掺杂TiO2具有最佳的光催化活性, 120 min时苯酚的降解率达到42.5%.     

二氧化钛纳米材料的非均相光催化本质及表面改性（英文）

非均相光催化过程是指多相多尺度体系在光辐射作用下发生的一个复杂的催化过程,被认为最有潜力解决环境污染和能源短缺问题的绿色及可再生的技术之一.在目前已经报道的各种非均相光催化剂中,TiO2纳米材料被证实是应用最广泛、光催化效果最好的催化剂,是当前国际材料、环境和能源等领域的研究前沿和热点,高性能TiO2基光催化材料的设计及改性一直是该领域的难点,其关键问题主要为:如何增强TiO2的表面光催化量子效率、促进光生载流子分离和拓展其可见光响应范围.尽管已经有很多关于TiO2光催化的综述,但大多综述集中在高性能TiO2的制备及各种改性策略研究,而对各种改性策略与光催化分子机理之间的关系阐述较少.为此,本文深入分析了TiO2纳米材料的非均相光催化本质并总结了各种表面改性策略.首先从热力学角度阐明TiO2的热力学能带能够确保其实现各种典型光催化反应(包括光催化降解、CO2还原及光解水),证实其广泛应用的可行性.然后,对TiO2光生载流子的动力学基础进行总结,证实快速的广生载流子复合以及较慢的表面化学反应动力学是限制其光催化活性提高的关键制约性因素.于此同时,对TiO2纳米材料的表面Zeta点位、超亲水性、超强酸光催化剂制备(表面羟基取代)等重要的表面化学性质也进行了详细阐述.从而可以初步得出如下结论:表面改性是设计高性能TiO2光催化材料的重中之重,并将各种改性策略浓缩在6个方面:表面掺杂和敏化,构建表面异质结,负载纳米助催化剂,增加可利用的比表面剂,利用表面氟效应以及暴露高活性晶面等.显然,表面掺杂和敏化可以减小TiO2纳米材料的禁带宽度,从而大幅拓宽其可见光吸收范围及光催化效率.而构建紧密的表面异质结可以创建界面电场,不仅可以促进光生电荷分离效率,而且可以有效提高界面电荷转移效率,最终实现异质结的高光催化效率.负载纳米助催化剂则可以大幅加快表面化学反速率,降低光生载流子的表面复合并增加其利用率,并有可能减少不期望的表面逆反应,从而实现光催化活性提升.增加可利用的比表面剂,可以有效提升光催化剂与吸附质之间的有效接触面积,缩短了载流子的传输距离以及通过多次反射与折射提升光能的利用率,从而全方位地提升TiO2纳米材料的光催化活性.对TiO2纳米材料表面进行氟化,可以增加光生羟基自由基的速率以及浓度,并可以通过调节TiO2表面酸碱性而控制其光催化选择性,从而实现高效高选择性光催化.最后,通过暴露TiO2纳米材料的高活性晶面,也可以促进光生载流子分离、增加吸附性能或羟基自由基生成速率,从而获得高光催化效率.另外,这些表面改性策略的协同效应仍是较有前景的TiO2纳米光催化剂改性技术,值得深入研究.同时,深入的光催化分子机理探索仍然是必须的,其不仅有助于发现影响TiO2纳米材料光催化活性提高的关键性制约因素,而且也可以指导开发新型的TiO2纳米光催化剂改性技术.总而言之,通过总结TiO2纳米材料在光催化、表面化学及表面改性等方面的重要进展,可为设计高效的TiO2基及非TiO2基光催化剂并应用于太阳燃料生产、环境修复、有机合成及相关的领域(如太阳能电池、热催、分离和纯化)等提供新的思路.