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.     

V掺杂锐钛矿相TiO_2的光吸收特性

使用V2O5和乙醇作为V掺杂TiO2的滴加液,运用溶胶-凝胶方法制备了不同浓度的V掺杂锐钛矿相TiO2的薄膜样品.对这些样品进行了紫外-可见透射光谱实验,发现V掺杂锐钛矿相TiO2的光谱响应范围向可见光区域移动,掺杂浓度为1.0%(摩尔分数)时红移效果最明显.此外,运用第一性原理,对V掺杂锐钛矿相TiO2的电子结构进行了研究,并运用能带结构理论对实验现象进行了解释.研究中发现:在V掺杂锐钛矿相TiO2后,随着V浓度的增加,TiO2的禁带宽度逐渐减小,光谱响应范围扩大,能提高它的可见光响应;但是由于掺杂后价带与导带比较接近,容易形成新的空穴-电子复合中心,以及导带区域V3d轨道上电子与Ti3d轨道上的电子强关联作用也会降低电子的还原性,所以V浓度的增加会使TiO2的光催化性能降低.理论上计算出在V掺杂浓度为6.25%(摩尔分数)时,TiO2的光吸收边红移最大,与实验得到的变化趋势相吻合.     

光电流法研究TiO2薄膜表面吸附氧对光催化活性的影响

采用溶胶-凝胶法制备了锐钛矿型和金红石型TiO2薄膜, 利用光电流和XPS技术研究了薄膜表面吸附氧对不同晶型TiO2光催化活性的影响. 并通过降解纯的环己烷溶液的实验来评估不同晶型TiO2的光催化活性. 结果表明, 在相同条件下, 锐钛矿型TiO2比金红石型具有明显的光催化活性. 这是由于锐钛矿型TiO2比金红石型TiO2具有较强的吸附氧的能力, 同时其光生电子与空穴的复合率相对较小所致.     

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.     

原位合成稳定的Ti3+自修饰介孔TiO2光催化剂在环境净化中的应用

半导体光催化剂TiO2因具有绿色环保无污染、化学稳定性好及可实现稳定产氢等优点而广泛应用于光解水、废水处理和空气净化等领域.然而,锐钛矿相TiO2禁带宽度约为3.2 eV,仅对紫外光响应.而在太阳光中,44%左右为可见光,紫外光仅占不到4%.为了提高TiO2对太阳光的利用率和在可见光照射下的光催化活性,近年来人们采用掺杂金属/非金属离子以及与可见光催化剂复合等方法对TiO2进行改性.但是这些离子掺杂的方法会不可避免地在TiO2晶格中形成结构缺陷,这些结构缺陷作为光生电子和空穴的复合中心不利于电子和空穴分离.最近研究表明,通过Ti3+自掺杂可以很好提高TiO2可见光催化活性,但是目前制备Ti3+掺杂TiO2的方法较复杂,形成的Ti3+掺杂易在表面积聚而被进一步氧化,影响其光催化稳定性,不利于实际应用.因此,开发具有良好电子-空穴分离效率的可见光催化剂引起了广泛的研究兴趣.本文通过原位自掺杂Ti3+来提高TiO2可见光光催化活性.以TiCl3为钛源, H2O为溶剂, F127为软模板,采用溶剂挥发诱导自组装的方法制备了蠕虫状Ti3+自掺杂的介孔TiO2.采用X射线衍射(XRD)、N2物理吸附、紫外-可见漫反射(UV-vis)、透射电子显微镜和电子顺磁共振(EPR)对所制备样品结构、结晶度和形貌等进行了表征分析.通过控制表面活性剂用量和焙烧温度优化了Ti3+自掺杂介孔TiO2的光催化活性.结果表明,在模拟太阳光照射下,所制样品对气相光催化氧化NO和水相降解有机染料亚甲基蓝表现出优异的催化性能和稳定性. Ti3+自掺杂介孔TiO2有效扩展了催化剂的光吸收范围,提高了光生电子空穴的迁移效率.其优异的光催化活性和稳定性主要归因于掺杂在TiO2骨架中的Ti3+和所合成催化剂多孔性之间的协同效果.固体UV-vis结果表明,所合成的TiO2具有很好的可见光响应,主要归因于在TiO2材料合成过程中,部分Ti3+未被完全氧化, Ti3+掺入可以有效降低TiO2的禁带宽度.通过计算可知合成的TiO2禁带宽度为2.7 eV.通过低温EPR测试进一步证明了Ti3+的存在,而且Ti3+主要掺杂在TiO2体相中. N2物理吸附结果表明,随焙烧温度不断提高,所得产物的比表面积先增加后减少,当焙烧温度在500 oC时,比表面积最大,但至550 oC时,比表面积、孔径和孔体积增大,表明催化剂的孔结构被破坏.表面活性剂F127的用量对样品比表面积和孔径大小也有影响,当其用量为0.54 g时,所得产物的比表面积最大.我们将所合成的TiO2应用于污染气体NO的氧化,考察了焙烧温度和表面活性剂用量对光催化剂性能的影响.结果表明,当表面活性剂用量为0.54 g,焙烧温度为500oC时,所制催化剂在模拟太阳光和可见光照射下都表现出最好的NO去除转化率.将使用过的催化剂离心洗涤后进行连续反应3.5 h,依然保持很高的NO去除转化率.催化剂高活性及稳定性的主要原因是Ti3+的掺杂将TiO2光响应范围拓展到可见光区域,且Ti3+掺杂和介孔结构之间的协同作用有利于促进光生电子和空穴的分离.当催化剂在低于500 oC焙烧时,所得催化剂结晶度较低,不利于光生电子-空穴的分离,而高温焙烧则会导致催化剂介孔结构遭到破坏,不利于NO气体吸附和产物脱附.表面活性剂对催化剂活性影响较小,在可见光照射下催化剂均表现出很好的光催化活性.此外,该Ti3+自掺杂介孔TiO2在液相条件下对有机染料亚甲基蓝也表现出很好的去除效果,可见光照射2 h,亚甲基蓝去除率接近100%.     

TiB2/均相硼掺杂TiO2核/壳结构提升光催化氧化水产氧活性

光催化可实现污染物降解、分解水制氢和CO2还原等多种氧化还原反应, 因而受到了广泛关注. 光催化材料中光生电荷的数目与氧化还原能力直接影响光催化反应效率, 在许多光催化反应中, 光生空穴氧化反应被认为速控步骤. 以光催化分解水为例, 质子的还原是单电子过程, 水氧化产生氧气则涉及四个电子. 空穴的高能量不仅可赋予其高的氧化能力,还能提高其迁出表面的能力, 因此具有重要研究价值.我们组的前期工作表明, 以TiB2作为前驱体, 采用水热合成和焙烧两步法可制备出间隙硼掺杂的金红石相或锐钛矿相TiO2, 间隙硼掺杂可显著降低价带顶, 提升光催化氧化水产氧性能. 然而, 在已有的结果中, 间隙硼掺杂浓度在TiO2中均呈现从内向外逐渐增加的梯度分布, 这意味着硼掺杂浓度有限, 且表层更低的价带顶不利于体相光生空穴向表面迁移, 因此亟需实现TiO2中均相的间隙硼掺杂.本文以湿化的氩气为水解环境, 将水解过程限域在TiB2的表面以减少硼原子流失; 同时提高水解温度, 使残留的硼原子形成间隙掺杂, 避免其在二次焙烧时扩散, 从而在TiB2核的表面所形成的TiO2壳层中实现均相间隙硼掺杂, 显著提高了光催化氧化水产氧活性. 多种表征结果表明, 直径约为6-10 μm的TiB2核表面形成了厚约400 nm的TiO2壳层, 在TiO2/TiB2中TiO2壳层重量比约为30%, TiO2壳层中锐钛矿相TiO2占比为65 wt%, 金红石相TiO2占比为35 wt%. TiO2壳层中间隙硼为均相分布, 硼掺杂显著降低了价带顶位置, 提高了光生空穴的氧化能力, 从而使得TiB2/TiO2展现出比未掺杂的金红石、锐钛矿相及两者混合相的TiO2均具有更高的光催化氧化水产氧的能力.     

具有不同Bi/Ti摩尔比的BiOI/TiO2(A)光催化剂的结构与性能

在室温条件下通过沉积法制备了BiOI敏化纳米锐钛矿TiO2(A)光催化剂.用X射线衍射(XRD), X射线光电子能谱(XPS),光致发光(PL)光谱和紫外-可见漫反射光谱(UV-Vis DRS)等手段对其进行了表征.通过罗丹明B (RhB)催化降解实验评价了其光催化活性.随BiOI含量增加, BiOI/TiO2(A)在370-630 nm的吸收强度增强,吸收带边红移增加,紫外和可见光催化活性先增加,当Bi/Ti摩尔比约为1.7%时,各自达到最大值,然后随BiOI含量的进一步增加而减小.1.7%BiOI/TiO2(A)的可见光活性明显高于P25,它的紫外光活性也略高于P25.在BiOI含量相近时, BiOI/TiO2(A)比BiOI/P25具有更低的光催化活性.和TiO2(A)相比,1.7%BiOI/TiO2(A)明显具有更高的紫外和可见光催化活性,这归因于它在370-630 nm的强吸收、吸收带边红移明显以及光生电子和空穴的有效转移,减少了电子-空穴对的复合     

金红石/锐钛矿混晶结构的TiO2薄膜光催化活性

采用磁控溅射法制备出一组金红石/锐钛矿混晶结构的纳米TiO2薄膜催化剂,并通过光催化降解苯酚实验考察该薄膜的催化性能.光催化实验证明,随着催化剂中金红石含量减少,催化剂的光催化活性逐渐提高.X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、表面光电压谱(SPS)和原子力显微镜(AFM)结果表明,催化剂为金红石和锐钛矿混晶结构,并随着金红石含量减少,催化剂的表面羟基(OH)和桥氧(-O-)的含量逐渐增加,而且费米能级逐渐提高.表面羟基和桥氧是有利于光催化的"活性物种";费米能级的提高使TiO2/H2O界面处TiO2的表面带弯增大,导致了价带光生空穴参加光催化反应的几率增大,有效地促进了光生载流子的分离;这些因素是催化剂光催化活性逐渐提高的主要原因.     

Sm掺杂对TiO2薄膜光催化性能的影响

 采用溶胶-凝胶法、浸渍-提拉法制备了不同形式和不同含量Sm掺杂的锐钛矿晶型TiO2的光催化剂薄膜. 采用X射线衍射、UV-Vis光谱及电化学实验对所制得的TiO2光催化剂薄膜进行了表征,并通过甲基橙溶液的光催化降解实验评价了其光催化活性. 结果表明,与未掺杂的TiO2薄膜相比,Sm掺杂的TiO2薄膜的UV-Vis吸收光波长向长波方向移动,并且光照开路电压也相应提高; 适量Sm掺杂可以明显提高TiO2薄膜的光催化活性,最佳Sm掺杂量为x(Sm3+)=0.5%; 在各种掺杂形式中以表层Sm掺杂的Sm-TiO2(S)薄膜的光催化活性最好. 讨论了Sm掺杂提高TiO2薄膜光催化活性的机理.     

金红石/锐钛矿混晶结构的TiO2薄膜光催化活性

采用磁控溅射法制备出一组金红石/锐钛矿混晶结构的纳米TiO2薄膜催化剂,并通过光催化降解苯酚实验考察该薄膜的催化性能. 光催化实验证明, 随着催化剂中金红石含量减少, 催化剂的光催化活性逐渐提高. X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、表面光电压谱(SPS)和原子力显微镜(AFM)结果表明, 催化剂为金红石和锐钛矿混晶结构, 并随着金红石含量减少, 催化剂的表面羟基(OH)和桥氧(—O—)的含量逐渐增加, 而且费米能级逐渐提高. 表面羟基和桥氧是有利于光催化的“活性物种”; 费米能级的提高使TiO2/H2O 面处TiO2的表面带弯增大, 导致了价带光生空穴参加光催化反应的几率增大, 有效地促进了光生载流子的分离; 这些因素是催化剂光催化活性逐渐提高的主要原因.     

Effect of calcination temperature on the structure of a Pt/TiO2 (B) nanofiber and its photocatalytic activity in generating H2

Hydrogen trititanate (H 2Ti 3O 7) nanofibers were prepared by a hydrothermal method in 10 M NaOH at 403 K, followed by acidic rinsing and drying at 383 K. Calcining H 2Ti 3O 7 nanofibers at 573 K led to the formation of TiO 2 (B) nanofibers. Calcination at 673 K improved the crystallinity of the TiO 2 (B) nanofibers and did not cause any change in the morphology and dimensions of the nanofibers. TiO 2 (B) and H 2Ti 3O 7 nanofibers are 10-20 nm in diameter and several micrometers long, but FE-SEM reveals that several of these nanofibers tend to bind tightly to each other, forming a fiber bundle. Calcination at 773 K transformed TiO 2 (B) nanofibers into a TiO 2 (B)/anatase bicrystalline mixture with their fibrous morphology remaining intact. Upon increasing the calcination temperature to 873 K, most of the TiO 2 (B) nanofibers were converted into anatase nanofibers and small anatase particles with smoother surfaces. In the photocatalytic dehydrogenation of neat ethanol, 1% Pt/TiO 2 (B) nanofiber calcined at 673 K was the most active catalyst and generated about the same amount of H 2 as did 1% Pt/P-25. TPR indicated that the calcination of 1% Pt/TiO 2 (B) nanofiber at 573 K produced a poor Pt dispersion and poor activity. Calcination at a temperature higher than 773 K (in ambient air) resulted in an SMSI effect similar to that observed over TiO 2 in the reductive atmosphere. As suggested by XPS, such an SMSI effect decreased the surface concentration of Pt metal and created Pt (delta) sites, preventing Pt particles from functioning as a Schottky barrier and leading to a lower activity. Because of the synergetic effect between TiO 2 (B) and anatase phases, the bicrystalline mixture, produced by calcining at 773 K, was able to counter negative effects such as the reduction in surface area and the SMSI effect and maintained its photocatalytic activity.     

磷钨酸钾模板法制备高活性二氧化钛空心微球

TiO2空心微球因具有低密度、高活性、易分离而有利于多次重复使用的优点而广受关注.本文介绍一种无氟制备TiO2空心微球的简单方法——磷钨酸钾(K3PW12O40)模板法.首先,将H3PW12O40和KCl溶液混匀,得到白色牛奶状的K3PW12O40模板(式(1)),然后在磁力搅拌下加入一定量的Ti(SO4)2粉末,加热至大约125oC开始回流.回流8 h后,过滤洗涤.滤饼分散在强NaOH溶液中,原位除去K3PW12O40模板(式(2)).最后,将催化剂洗涤到滤液为中性,干燥后即得到TiO2空心微球.3KCl + H3PW12O40= K3PW12O40ˉ+3HCl (1) K3PW12O40+24NaOH =12Na2WO4+ K3PO4+12 H2O (2) Ti(SO4)2+2H2O = TiO2+2H2SO4(3)我们将所制备的TiO2空心微球,采用X射线衍射、透射电子显微镜、扫描电子显微镜、傅立叶红外光谱、固体粉末漫反射和X射线光电子能谱等进行了表征.采用紫外光催化降解阴离子染料(活性嫣红X3B)来评价催化剂的性能.实验结果显示：(1)所制TiO2空心微球直径在0.5–1.0μm;(2)磷钨酸钾模板剂充当晶核,有利于空心微球的晶化;(3)加入的高浓度硫酸钛,水解产生大量的硫酸,抑制硫酸钛水解,不利于TiO2空心微球的晶化(式(3));(4)催化剂的活性随着硫酸钛量的增加而先增后降.4 mmol硫酸钛用量的TiO2空心微球具有最高的光催化活性,是TiO2颗粒样品(无磷钨酸钾模板法制备)的2.1倍.用该方法制备的TiO2空心微球活性高可归因于以下主要原因：(1)TiO2空心微球独特的孔结构;(2)良好的晶化程度(TiO2样品晶化度越高,越有利于光生载流子的分离,抑制复合);(3)样品残余磷钨酸钾模板和TiO2之间存在光生电子转移,有利于空心微球TiO2活性的提高.该法具有操作简单、重复性好、易于批量制备的等优点,有望广泛应用于(光)催化、电化学、分离与纯化以及药物缓释等领域.     

双晶型TiO2薄膜的低温制备及表征

采用溶胶-凝胶法低温制备了具有锐钛矿、板钛矿双晶型的TiO2薄膜. 分别利用X射线衍射(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、UV-Vis透光率曲线和原子力显微镜(AFM)等手段对所得TiO2溶胶和薄膜进行了性能表征. 采用光催化降解罗丹明B水溶液评价TiO2薄膜的光催化活性. 结果发现, 所得TiO2薄膜具有较高的透明度和光催化活性. 同时, 考察了溶胶回流温度对所制备TiO2薄膜性能的影响, 发现升高溶胶回流温度可以完善薄膜的晶型, 增大薄膜的粗糙度, 从而提高薄膜的光催化活性. 溶胶回流温度为100 ℃时所制备的TiO2薄膜具有最高的光催化活性.     

Electrospun nanofibers of TiO2/CdS heteroarchitectures with enhanced photocatalytic activity by visible light

Herein, we have demonstrated that the electrospun nanofibers of TiO(2)/CdS heteroarchitectures could be fabricated through combining electrospinning technique with hydrothermal process. The configuration, crystal structure, and element composition of the as-prepared TiO(2)/CdS heteroarchitectures were characterized by scanning electron microscopy (SEM), energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDX), transmission electron microscopy (TEM), X-ray diffraction (XRD), resonant Raman spectrometer, X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). The results indicated that the high-density hexagonal wurtzite CdS crystalline particles of ca. 6-40 nm in diameter were uniformly and closely grown on anatase TiO(2) nanofibers. Especially, the light-absorption properties as well as photocatalytic characteristics of pure TiO(2) nanofibers and TiO(2)/CdS heteroarchitectures with different amount loading of CdS were also investigated. The absorption of TiO(2)/CdS heteroarchitectures was extended to the visible due to effective immobilization of sensitizing agent CdS on TiO(2). In contrast with the pure TiO(2) nanofibers, the TiO(2)/CdS heteroarchitectures showed excellent photocatalytic activity by using rhodamine B dye as a model organic substrate under visible-light irradiation. It was worth noting that the cooperative photocatalytic mechanism of the TiO(2)/CdS heteroarchitectures was also discussed.     

氧缺位型TiO2的制备、表征及其光催化析氧活性

采用69 ℃饱和水蒸气和H2混合气, 于927 ℃下处理金红石型TiO2, 得到不同氧缺位的光催化剂, 并用X射线衍射(XRD)、比表面(BET)、电子顺磁共振(EPR)、紫外-可见漫反射(DRS)、光电子能谱(XPS)对其进行了表征. 考察了热处理时间对氧缺位型TiO2光催化分解水析氧活性的影响. 结果表明, 适量的氧缺位能显著提高金红石型TiO2光催化分解水的析氧活性, 其最大析氧速率达222 μmol·L-1·h-1.     

TiO2-yNx纳米光催化剂的制备及其可见光响应机理

利用溶胶-凝胶技术,以尿素为氮源,采用原位掺杂方式制备了TiO2-yNx纳米粉体;以亚甲基蓝(MB)溶液在可见光下的光催化降解评价其可见光催化活性;考察了体系初始pH值、N的掺杂量和焙烧温度对样品可见光催化活性的影响。 结合XRD、XPS、ESR和DRS测试技术,研究了N掺杂纳米TiO2的可见光响应机理。 研究结果表明,TiO2-yNx纳米粉体的优化制备工艺条件为：体系初始pH=0.52,掺杂比n(N)∶n(Ti)=1∶6,焙烧温度为440 ℃。 此条件下制备的样品N含量为0.77%,为单一的锐钛矿相,平均粒径为19.0 nm,具有良好的可见光催化活性。 N掺杂导致TiO2纳米粉体的表面羟基含量增加,形成了大量束缚单电子的氧空位;N取代晶格O形成了N-Ti-O和O-N-Ti键合结构。 N掺杂导致TiO2纳米粒子的吸收带边红移,对可见光的吸收能力明显增强,这表明N掺杂改变TiO2电子结构,使带隙窄化,降低光响应阈值。 N掺杂TiO2纳米粒子的可见光响应归因于N取代掺杂形成的掺杂能级与氧空位形成的缺陷能级共同作用所致。     

Defect-mediated formation of Ag cluster-doped TiO2 nanoparticles for efficient photodegradation of pentachlorophenol

A novel strategy was designed to prepare Ag cluster-doped TiO(2) nanoparticles (Ag/TiO(2) NPs) without addition of any chemical reducing agent and/or organic additive. A defect-rich TiO(x) species was generated by laser ablation in liquid (LAL) of a Ti target. The silver ions could be reduced and deposited on the surface of TiO(2) NPs through the removal of oxygen vacancies and defects; the TiO(x) species evolved into anatase NPs in a hydrothermal treatment process. The derived Ag/TiO(2) NPs are approximately 25 nm in size, with narrow size distribution. The Ag clusters are highly dispersed inside TiO(2) and less than 3 nm in size. The doped amount can be tuned by changing the concentration of Ag(+) ions. The as-synthesized Ag/TiO(2) NPs display improved photocatalytic efficiency toward pentachlorophenol (PCP) degradation.     

有序介孔TiO2纳米纤维及其串联光催化水处理-产氢性能（英文）

光催化技术在环境净化及新能源开发方面具有巨大的研究潜力,特别在有机污染物降解去除和分解水制氢展示出了广泛的应用前景.二氧化钛(TiO2)具有出色的光催化活性和稳定性、低成本和无毒性等性质,是最有前景的光催化剂之一,但离广泛实用还有一定距离.TiO2光催化活性很大程度上取决于其尺寸,结晶度和形状等结构特征,因此,TiO2的纳米结构优化设计,为开发高活性TiO2光催化材料,推动其商业和工业应用提供了新的可能.最近大量研究表明,一维(1D)纳米结构,如纳米管,纳米线和纳米纤维等,具有卓越的光生电荷分离和传输能力,可提高光催化活性.鉴于此,1D TiO2纳米光催化剂的设计和可控制备引起了广泛的研究关注.一般而言,1D TiO2制备方法包括溶胶凝胶法,水热法,溶剂热法和静电纺丝法.其中,水热法由于简单高效,是最广泛使用的一种制备方法.通常,水热法制备1D TiO2包括两个主要步骤.首先,在浓NaOH水溶液中的水热处理,将不规则的TiO2颗粒转化为均匀的1D纳米钛酸盐中间体.随后,通过氢离子交换和热转化,将所获得的钛酸盐转化为1D TiO2.钛酸盐中间体的形成和转化过程,对调控所得1D TiO2产物的结构特征,包括相、尺寸、形状和组成等,具有至关重要的作用.然而,传统水热法的反应条件非常苛刻,经常导致1D纳米结构的破坏及纳米颗粒的无序排列,降低了获得材料的光催化活性.因此,发展温和的钛酸盐转化方法,将为制备高活性光催化材料提供新思路.本文通过新颖的蒸汽热方法,成功将钛酸盐纳米带转化为由纳米晶定向组装而成的介孔TiO2纳米纤维.结合XRD,BET,TEM,XPS,UV-Vis和PL等分析手段详细表征了催化剂的组成与结构,基于有机污染物(以罗丹明B为例)降解以及光催化分解水制氢考察了催化剂的光催化活性.结果表明,在150°C蒸汽热处理得到的1D TiO2纳米纤维具有最高的光催化氧化活性与还原活性,均优于商业TiO2(P25).1D TiO2纳米纤维具有介孔结构,其纳米晶排列有序,从而对增强光催化性能至关重要.各向异性锐钛矿纳米晶的有序排列,促进了光生电子与空穴沿纳米纤维结构定向传递,降低电子-空穴复合几率.介孔结构和高表面积有利于光催化反应过程中的质量交换.鉴于1D TiO2纳米纤维同时具有最高的光催化氧化活性与还原活性,我们发展了光催化水处理-产氢集成新技术,通过光催化“有氧氧化-缺氧还原”串联工艺来实现.有机染料在有氧氧化过程中部分氧化,并在后续的缺氧还原阶段充当高效牺牲试剂以促进光催化分解水制氢.该研究为制备高活性有序介孔TiO2纳米纤维及其应用提供了新思路.     

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.     

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.