高性能黑色纳米二氧化钛材料研究

二氧化钛是最重要的光电半导体材料之一, 纳米二氧化钛作为最重要的光催化剂所面临的巨大挑战是无法吸收可见光而导致太阳能利用效率低下. 拓展二氧化钛的光谱响应范围是提高其太阳能利用效率的关键. 最近发展的可以有效吸收可见光的黑色二氧化钛受到广泛关注, 我们针对黑色纳米二氧化钛材料展开了一系列工作, 发展出多种黑色二氧化钛材料的制备方法, 获得了太阳能高吸收、 高效光催化的材料. 本文综合了我们的部分研究工作, 概述了所制备黑色纳米二氧化钛的物化性质、 制备方法及其应用, 并提出了该材料的研究方向.     

太阳光活性的铁酸铝-二氧化钛纳米复合光催化剂

以共沉淀法制备的铁酸铝和溶胶-凝胶法制备的二氧化钛粉体作为前驱体, 合成了铁酸铝-二氧化钛纳米复合材料, 通过曙红染料和甲基橙的光催化降解来评价该纳米复合材料的光催化活性, 并与单一二氧化钛的光催化性能进行了比较. 实验结果表明: 无论是紫外光还是太阳光的激发下, 铁酸铝-二氧化钛纳米复合材料的光催化活性均优于同样条件下所制备的单一二氧化钛纳米材料, 理想的铁酸铝掺杂浓度分别是1.0%(紫外光)和9.0%(太阳光). 由于在二氧化钛基体中掺入铁酸铝纳米粒子, 既可以促进光生载流子的电荷分离, 又可以使二氧化钛的光响应波长向可见光区域拓展, 提高了太阳能利用率, 从而使其在太阳光下具有更优越的光催化活性.     

电化学制备异质二氧化钛结构增强其在光电分解水中转化效率（英文）

本文描述了一种利用电化学方法合成第二型异质二氧化钛纳米棒结构的方法,这种纳米棒由部分还原的黑色二氧化钛和原始的白色二氧化钛组成.这种异质结结构的半还原的二氧化钛纳米棒与原始的白色二氧化钛和完全还原的黑色二氧化钛纳米棒相比,展现出更好的光电催化性能.这可归结于这种条件下合成的纳米棒具备的协同作用.一方面,这类结构增强了整个太阳光光谱的利用率.底层的黑色二氧化钛能够大量吸收可见光,而上层的白色二氧化钛能够较好的利用太阳光中紫外光的部分.另一方面,因为形成了第二型异质结结构,电荷的激发分离和传输得到了有效的控制.这种简单的制备方法可进一步拓展合成其他金属氧化物,来进一步研究光电分解水的性能.本文利用传统的三电极系统:0.05 mol/L的硫酸作为电解液,在加–0.5 V的偏压下进行.相比与已报道的还原手段,该电解液中质子的浓度相对比较低,可以保证这个还原过程逐步发生.电化学还原曲线可以明显反映二氧化钛还原的过程,尽管从扫描电子显微镜中很难观察到响应的区别,但是在该过程中,电极片的颜色发生了明显的变化.相应的,我们将这个系列的电极进行了光学和晶体学的研究,发现其在还原过程中,能带能够逐步减小.而在X射线衍测试当中,仅最终完全还原的得到的样品在20度左右出现两个额外的峰,可归结为还原状态的二氧化钛.电化学扫描进一步测试其能带的相应位置,证明了黑色被还原的二氧化钛和白色的原始二氧化钛是同时存在的.最后将这个系列光电极光电催化分解水的性能进行了比较,发现在同等的测试条件下,形成异质结结构的二氧化钛具有最高的光催化效率,其值大约是白色二氧化钛的三倍,同时也比纯黑的二氧化钛增长了20%左右.另外,异质结结构的二氧化钛与黑色的相比,在可见光区域有相同的效率的同时具备更好的紫外光转化效率.最后,我们分析了异质结形成以后的相对应的能带结构,该结构能够更好的促进光吸收和转化.     

改性二氧化钛纳米棒的制备及其对有机污染物的光催化降解研究

为了改善纳米二氧化钛的光催化活性,通过水热法制备了氮钨共掺杂二氧化钛纳米棒。通过扫描电镜(SEM),X射线衍射(XRD),透射电镜(TEM),X射线光电子能谱(XPS)和紫外可见光吸收光谱(UV-VIS)法等对产物进行了相关表征。结果显示,与未掺杂的二氧化钛相比,氮钨共掺杂的二氧化钛纳米棒在可见光区域显示出了较强的光催化活性。因为氮钨阳离子的掺入拓宽了可见光的吸收区域。     

改性二氧化钛纳米棒的制备及光催化有机污染物研究

为了改善纳米二氧化钛的光催化活性,通过水热法制备了氮钨共掺杂二氧化钛纳米棒。通过扫描电镜(SEM),X射线衍射(XRD),透射电镜(TEM),X射线光电子能谱(XPS)和紫外可见光吸收光谱 (UV-VIS)等对产物进行了相关表征。结果显示：与未掺杂的二氧化钛相比,氮钨共掺杂的二氧化钛纳米棒在可见光区域显示出了较强的光催化活性。因为氮钨阳离子的掺入拓宽了可见光的吸收区域。     

不同胺介质中一步合成具有可见光响应的TiO2

 以TiCl3为钛源,在140 ℃下采用溶剂热法在不同有机胺体系中一步合成二氧化钛晶体. 采用X射线衍射、紫外-可见吸收光谱、元素分析、傅里叶变换红外光谱以及X射线光电子能谱对所得粉体进行了表征. 结果表明,该方法制备的二氧化钛晶体吸收带边明显红移至可见光区,其中,在乙二胺体系中制备的二氧化钛晶体对可见光的吸收明显优于三乙胺和二乙胺体系. 在乙二胺体系中制备的二氧化钛对可见光响应的原因可归结为部分氮原子取代氧原子进入了二氧化钛晶体结构中. 苯酚的光催化降解实验表明,该掺氮型二氧化钛在可见光照射下具有较好的光催化活性.     

一种将三价钛引入锐钛型二氧化钛的新方法:用于有效的光催化产氢（英文）

伴随着科技的日益进步,人们的生活水平有了极大的提升,但是随之而来的环境污染问题也成为当前世界亟待解决的重大问题之一.太阳能是地球上最大的清洁能源来源,有效地利用太阳能将为解决环境污染问题提供巨大的帮助.而光催化技术的一个关键材料就是催化剂,催化剂对太阳能利用的好坏也就决定了光催化技术的应用前景.因此,人们对催化剂的研究也在逐步深入.1972年,Fuiishima和Honda在Nature杂志上首次报道了二氧化钛电极在紫外光照射下分解水产生氢气的现象,自此掀起了半导体光催化的研究热潮.二氧化钛因具有无毒、廉价和耐腐蚀等优点而在光催化领域广受关注.传统白色二氧化钛具有两大劣势(宽的禁带宽度与高的电子/空穴复合率)大大限制了它的应用.人们对于改变二氧化钛性质进行了大量的尝试,例如金属/非金属掺杂、形貌的改变等.黑色二氧化钛(存在大量的氧空位和三价钛)的出现极大地克服了传统白色二氧化钛的缺点,其具有窄的禁带宽度和低的电子/空穴复合速度.目前,黑色二氧化钛的制备方法大致分为以下几种:(1)高压下氢化;(2)高温常压下氢化;(3)铝热还原法;(4)溶液蒸发法;(5)化学氧化法;(6)电化学还原等.由于更简单安全(不涉及氢气使用)和更好的可见光光催化活性,三价钛自掺杂的二氧化钛从这些方法中脱颖而出.迄今为止,诱导三价钛的方法通常是能量密集型的,涉及不稳定的Ti原料(如TiO和TiH_2).研究用于制备三价钛自掺杂二氧化钛的新方法是十分必要的.我们以稳定的钛粉为原料,通过简单的方法将三价钛和氧空位成功地引入锐钛型二氧化钛.通过X射线衍射、场致发射扫描电子显微镜等技术研究了制备样品的物理化学性质,发现H_2O_2和水热反应时间对纳米棒型微观形貌的形成至关重要.通过调整诸如H_2O_2量和水热反应时间的参数,根据实验结果提出了形成这种微观结构的可能机制.更重要的是,可见光区域的光吸收受到样品中氧空位量的控制,存在氧空位的最佳值使光催化产氢活性最高.     

具有可见光响应的C、N共掺杂TiO2纳米管光催化剂的制备

为了提高二氧化钛对可见光的利用效率,采用等离子体电解方法对二氧化钛实现了C、N共掺杂.掺杂通过等离子体电解HCONH2、NaNO2、(NH2)2CO产生活性N、C实现.XPS结果表明,C、N掺杂进入了氧化钛晶格.紫外漫反射光谱分析表明,氧化钛对可见光(＞400 nm)的响应增强,其光催化降解能力也大大增强.C、N共掺杂TiO2是一种利用太阳能的理想的光催化剂.     

Ti(SO4)2沸腾水解法制备纳米TiO2及光催化研究

纳米二氧化钛是一种新型的无机功能材料,它具有许多独特的性质,如化学活性高、可见光透过性好、吸收紫外光性能强、具有超亲水性等[1-2],可用于制造电介质材料、光催化薄膜、化学传感器等[3]。TiO2作为光催化剂几乎能氧化降解水体和空气中的绝大多数有机污染物。制备纳米TiO2的     

具有可见光响应的C、N共掺杂TiO2纳米管光催化剂的制备

为了提高二氧化钛对可见光的利用效率, 采用等离子体电解方法对二氧化钛实现了C、N共掺杂. 掺杂通过等离子体电解HCONH2、NaNO2、(NH2)2CO产生活性N、C实现. XPS结果表明, C、N掺杂进入了氧化钛晶格. 紫外漫反射光谱分析表明, 氧化钛对可见光(>400 nm)的响应增强, 其光催化降解能力也大大增强. C、N共掺杂TiO2是一种利用太阳能的理想的光催化剂.     

具有可见光响应的C、N共掺杂TiO2纳米管光催化剂的制备（英文）

为了提高二氧化钛对可见光的利用效率,采用等离子体电解方法对二氧化钛实现了C、N共掺杂.掺杂通过等离子体电解HCONH2、NaNO2、（NH2）2CO产生活性N、C实现.XPS结果表明,C、N掺杂进入了氧化钛晶格.紫外漫反射光谱分析表明,氧化钛对可见光（〉400nm）的响应增强,其光催化降解能力也大大增强.C、N共掺杂TiO2是一种利用太阳能的理想的光催化剂.     

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.     

纳米二氧化钛光催化材料研究进展

近年来,对纳米二氧化钛光催化材料的研究主要集中在如何提高其光催化效率和开发新的应用领域。在介绍了半导体光催化技术、纳米二氧化钛主要制备方法的同时,从纳米材料复合体系、复杂结构以及晶面诱导等方面列举了最新的提高纳米二氧化钛催化活性的改性方法,最后重点阐述了纳米二氧化钛光催化材料的应用领域和发展瓶颈。     

铁掺杂纳米TiO_2可见光气相降解三氯乙烯的研究

采用溶-胶凝胶及水热法制备了铁掺杂的纳米TiO_2光催化材料.采用X射线衍射、X光电子能谱和紫外-可见漫反射等方法对铁掺杂的纳米TiO_2光催化材料进行了表征.以三氯乙烯作为目标污染物,研究了铁掺杂的二氧化钛的光催化性能.结果表明,Fe-TiO_2对光的吸收拓展到可见光范围内,铁掺杂后TiO_2催化剂有更多的表面羟基,这些表面羟基的存在有利于有机物在催化剂表面的吸附,同时还能捕获光生空穴形成·OH氧化有机污染物.适量Fe掺杂有利于提高TiO_2光催化性能.     

Fe~(3+)离子对二氧化钛光电化学催化性能的影响

应用电化学阳极氧化法制备Ti上多孔状纳米晶TiO2薄膜,以及不同Fe3+离子掺杂量的二氧化钛薄膜.研究了Fe3+离子掺杂对二氧化钛薄膜吸收光谱和光催化活性的影响,发现Fe3+的掺杂使薄膜的吸收带边发生红移,在可见光照射下其光催化活性也有一定的提高.     

氧化钼-二氧化钛复合膜的可见光致变色性能研究

采用溶胶凝胶法制备了一系列氧化钼-二氧化钛纳米复合物, 用柠檬酸作分散剂, 将得到的纳米复合物粉末分散成溶胶, 涂膜制备了具有可见光变色性能的均匀透明的光致变色(λ≥420 nm)复合膜. 通过红外、XPS、ESR测定表明, 在氧化钼、二氧化钛复合界面上生成了Mo—O—Ti键, 此键的存在是该复合膜具有可见光致变色响应的内在原因. 在可见光的照射下, 电子从二氧化钛的价带经由Mo—O—Ti键, 被激发到氧化钼的导带上. 研究了光致变色过程的动力学, 发现光致变色反应的速率取决于膜中复合物的摩尔比([MoO₃]/[TiO₂])以及电荷转移能量(CTE).     

Ag负载TiO2纳米管微波辅助水热法制备及其光催化性能

以微波辅助水热法制备了二氧化钛纳米管,然后通过浸渍法在其表面负载了银纳米颗粒.所得样品用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、氮吸附、X射线光电子能谱(XPS)、紫外-可见漫反射等测试方法表征.微波加热处理可以大大缩短反应时间,产物为无定型纳米管,经高温焙烧后转变成锐钛矿型二氧化钛.所得纳米管的外径为7-8 nm,内径为5-6 nm,管长约200 nm,比表面积可达371 m2·g-1.负载的银分散在纳米管的表面,对纳米管的结构与晶型没有影响,但是拓宽了二氧化钛的光吸收范围,使吸收边红移至可见光区,并且有效抑制了光生电子空穴的复合.在可见光降解罗丹明B的实验过程中,与Ag负载的P25及纯二氧化钛纳米管相比,Ag负载二氧化钛纳米管具有更高的可见光催化活性,并且当Ag/Ti 物质的量的比为0.5%时,可见光催化性能最好.     

负载金的掺氮二氧化钛的制备及其可见光催化性能

以纳米管钛酸为前驱体,采用水热法先制备得到新型N掺杂二氧化钛,然后用沉积沉淀法在N掺杂二氧化钛表面负载微量贵金属Au,制备得到负载Au的掺N二氧化钛.利用TEM、XRD、XPS、ESR和DRS等手段研究了样品的形貌、晶体结构、元素化学态和光谱吸收性质.样品光催化活性通过可见光催化降解丙烯进行评价,结果表明,样品N-TiO₂和Au/N-TiO₂具有明显的可见光(λ≥420 nm)催化活性.ESR结果表明,掺氮过程中生成的束缚单电子的氧空位是样品具有可见光响应的原因.     

可见光响应纳米TiO2光催化薄膜的研究进展

综述了近几年国内外可见光响应纳米TiO₂薄膜制备的研究现状,阐述了TiO₂薄膜光催化降解有机物的催化机理,系统地介绍了提高纳米TiO₂吸收波长的方法、常用载体、可见光响应纳米TiO₂薄膜制备方法和在降解有机物方面的应用,并概述了其以后的发展趋势.     

内嵌硫化镉与上转换纳米颗粒的二氧化钛复合纳米管用于近红外光驱动光催化（英文）

由于近红外光在太阳光谱中占44%,因此,近红外光驱动的光催化剂的研制具有十分重要的意义.上转换发光材料可将低能量的近红外光子转换为高能光子,这种高能光子可以通过构建荧光共振转移系统将能量转移并活化量子效率较高的半导体材料,对于太阳能的转化利用具有潜在的应用前景.在本文中,通过胶体化学的过程在电纺丝制备的内嵌CdS纳米颗粒以及上转换荧光纳米颗粒(UCNPs)的二氧化硅复合纳米纤维表面外延生长一层二氧化钛层,通过高温煅烧得到二氧化钛复合纳米管.我们通过二氧化硅结构将CdS纳米颗粒与上转换荧光纳米颗粒紧紧束缚在一起,实现较高的荧光共振能量转移.而且,选择β-NaYF_4:Yb(30%),Tm(0.5%)@NaYF_4:Yb(20%),Er(2%)作为纳米能量转换器,替代以前研究工作中使用的β-NaYF_4:Yb(30%),Tm(0.5%)或者β-NaYF_4:Yb(30%),Tm(0.5%)@NaYF_4纳米颗粒,来进一步提高近红外光的转换效率.通过透射电子显微镜照片很清楚的观察到制备的Ti O2复合纳米管内部内嵌有大量的CdS与上转换纳米颗粒.通过X-射线衍射以及X-射线光电子能谱能仪器对产物的物相以及表面的化学组成进行了细致的表征.结果显示,通过本实验方法已经成功获得了Ti O2复合纳米管.用稳态与瞬态荧光仪研究了最终样品的荧光性质.研究结果揭示,与上转换纳米颗粒以及二氧化硅复合纳米纤维相比,复合二氧化钛纳米管可以将上转换荧光纳米颗粒的(UV-Vis)部分荧光完全淬灭了.特别是,铒离子的荧光(650 nm)也被有效淬灭转移,说明本研究采用β-NaYF_4:Yb(30%),Tm(0.5%)@NaYF_4:Yb(20%),Er(2%)纳米能量转换器,可以提高近红外光的转换效率,紫外-可见吸收光谱证实,这种二氧化钛纳米管在紫外-可见光区中的吸收光谱与β-NaYF_4:Yb(30%),Tm(0.5%)@NaYF_4:Yb(20%),Er(2%)纳米颗粒的荧光光谱具有较大的重叠,使得上转换荧光纳米颗粒与CdS以及二氧化钛组分之间的荧光共振转移的效率大大提高,进而会显著提高光催化的效果.以罗丹明染料作为污染物为模型,我们研究了罗丹明染料在氙灯下或者近红外光光照下的光催化分解实验.研究结果表明,90%的罗丹明染料分子在20 min内就被降解掉,效率高于其它的近红外光催化剂.上转换荧光纳米颗粒的能量转换效率可以得到大幅度提高,本研究工作中制备的光催化剂利用太阳能的效率将会得到极大提高,在未来为能源危机以及环境保护提供一种可供选择的方法与技术.