稀土镧掺杂二氧化钛的光催化特性

二氧化钛有合适的禁带宽度,在光催化体系中有较好的稳定性,是一种较为理想的半导体光催化剂.近来,在太阳能转换和储存,二氧化碳还原,有害复杂有机物降解等方面都引起了广泛的研究兴趣.已有文献报导了不同的掺杂催化体系对其光催化性能的影响.Ｋａｋｕｔａ[1,2]等研究了二氧化钛复合氧化物体系的光催化性能.Ｃｈｏｉ[3]等系统地研究了过渡金属氧化物掺杂的二氧化钛的光催化性能和空穴电子复合之间的联系.也有研究者从掺杂体系的晶体结构和表面物化性质,如晶相(锐钛矿,金红石,无定形),比表面积,晶粒尺寸和表面羟基的角度讨论与光催化活性的关…     

P掺杂量对纳米TiO2结构及其光催化甘油水溶液制氢性能的影响

以钛酸丁酯为前驱体,以NaH2PO4为掺杂离子给体,采用溶胶-凝胶法制备了系列P掺杂的TiO2光催化剂,运用N2吸附-脱附、透射电子显微镜、X射线衍射、傅里叶变换红外吸收光谱、激光拉曼光谱、紫外-可见光漫反射等技术对催化剂进行了表征.结果表明,适量掺杂的P可以进入TiO2骨架中,而掺杂量过高时,P将溶解于TiO2晶格间隙中;P掺杂后的TiO2均为具有介孔结构的锐钛矿晶型纳米颗粒,其晶粒变小,分散度明显提高.适量P掺杂增大样品的比表面积,并使得TiO2禁带内引入杂质能级,降低了禁带能量,增加了光生电子和空穴的分离性能,提高了TiO2的吸光性能.光催化甘油水溶液制氢反应结果表明,P掺杂的TiO2表现出远高于纯TiO2的光催化活性;5%P掺杂样品在紫外光和模拟太阳光辐射下,其最高产氢速率可分别达1838和209μmol/(g.h).这与掺P后晶粒变小、比表面积增大、禁带能量降低以及光生电子和空穴的分离性能增加有关.     

LSDA+U方法研究Ni掺杂CuO和Cu掺杂NiO的电子结构和反铁磁学性质

光催化分解水制H2和光催化还原CO2是解决能源危机和全球变暖的有效途径.但是,由于粉末光催化剂存在回收效率低的问题,因而光催化成本很高.而磁性光催化剂便于回收和重复利用,因此人们把目光转向具有磁性的非光催化剂材料,试图通过改性使得磁性材料具有合适的水分解或者还原CO2的氧化还原电位.同时,对具有光催化活性但是没有磁性的材料进行磁化改性可以得到新型的磁性光催化剂.本文通过对本身具有磁性的NiO材料进行Cu掺杂能带调整,使调整后的NiO具有合适的氧化还原电位;对本身具有良好光催化氧化还原电位的CuO材料进行Ni掺杂磁化调整,使磁化后的CuO既有良好的氧化还原电位又有磁性.最终两种材料经过掺杂变成磁性光催化材料,既有较好的光催化性能,又可高效回收,因此有望在光催化领域具有潜在的应用前景.LSDA(局域自旋密度近似)+U(有效库仑相关能)计算方法能够很好地给出磁矩和禁带宽度等电子结构性质.本文通过LSDA+U计算方法对具有磁性的宽禁带半导体材料NiO进行电子结构改性研究,希望通过降低其禁带宽度、调整其氧化还原电位使之对太阳光有响应.因其同时具有磁性便于回收,使得光催化分解水制H2和光催化还原CO2成本高的问题得到解决.对NiO的磁胞进行了Cu掺杂计算,结果发现Cu的掺杂几乎没有引起NiO空间结构的变化,这是因为Cu和Ni的离子半径相近.通过对电子结构的计算发现掺杂体系的禁带变窄,并且在禁带中间出现了两条杂质能级,该杂质能级是由掺杂原子Cu 3d态组成.杂质能级的出现能够降低光生载流子在带隙中的复合,从而提高光催化效率.计算结果同时表明,Cu掺杂的NiO系统具有一个1μB的净磁矩,即Cu的掺杂使得NiO显示出磁性,而Ni的磁矩在掺杂前后几乎保持不变,由纯相的1.67μB增加到掺杂体系中的1.70μB.由于CuO本身低指数(111)面和(011)面具有合适的分解水制H2和还原CO2的氧化还原电位,如果对CuO进行磁化改性,可以使光催化剂CuO同时带有磁性,便于回收再利用.本文对CuO磁胞进行了Ni的掺杂计算.结果表明,由于离子半径相近,Ni掺杂几乎没有引起CuO空间结构的变化.掺杂后的体系具有一个1.66μB的净磁矩,同时Ni的掺杂引起多个杂质能级出现,靠近价带的杂质能级由Cu 3d态组成,而在导带底位置出现的杂质能级主要由Ni 3d态组成.整个能带向高能级方向平移.     

LSDA+U方法研究Ni掺杂CuO和Cu掺杂NiO的电子结构和反铁磁学性质（英文）

光催化分解水制H_2和光催化还原CO_2是解决能源危机和全球变暖的有效途径.但是,由于粉末光催化剂存在回收效率低的问题,因而光催化成本很高.而磁性光催化剂便于回收和重复利用,因此人们把目光转向具有磁性的非光催化剂材料,试图通过改性使得磁性材料具有合适的水分解或者还原CO_2的氧化还原电位.同时,对具有光催化活性但是没有磁性的材料进行磁化改性可以得到新型的磁性光催化剂.本文通过对本身具有磁性的NiO材料进行Cu掺杂能带调整,使调整后的NiO具有合适的氧化还原电位;对本身具有良好光催化氧化还原电位的CuO材料进行Ni掺杂磁化调整,使磁化后的CuO既有良好的氧化还原电位又有磁性.最终两种材料经过掺杂变成磁性光催化材料,既有较好的光催化性能,又可高效回收,因此有望在光催化领域具有潜在的应用前景.LSDA(局域自旋密度近似)+U(有效库仑相关能)计算方法能够很好地给出磁矩和禁带宽度等电子结构性质.本文通过LSDA+U计算方法对具有磁性的宽禁带半导体材料NiO进行电子结构改性研究,希望通过降低其禁带宽度、调整其氧化还原电位使之对太阳光有响应.因其同时具有磁性便于回收,使得光催化分解水制H_2和光催化还原CO_2成本高的问题得到解决.对NiO的磁胞进行了Cu掺杂计算,结果发现Cu的掺杂几乎没有引起NiO空间结构的变化,这是因为Cu和Ni的离子半径相近.通过对电子结构的计算发现掺杂体系的禁带变窄,并且在禁带中间出现了两条杂质能级,该杂质能级是由掺杂原子Cu 3d态组成.杂质能级的出现能够降低光生载流子在带隙中的复合,从而提高光催化效率.计算结果同时表明,Cu掺杂的NiO系统具有一个1μB的净磁矩,即Cu的掺杂使得NiO显示出磁性,而Ni的磁矩在掺杂前后几乎保持不变,由纯相的1.67μB增加到掺杂体系中的1.70μB.由于CuO本身低指数(111)面和(011)面具有合适的分解水制H_2和还原CO_2的氧化还原电位,如果对CuO进行磁化改性,可以使光催化剂CuO同时带有磁性,便于回收再利用.本文对CuO磁胞进行了Ni的掺杂计算.结果表明,由于离子半径相近,Ni掺杂几乎没有引起CuO空间结构的变化.掺杂后的体系具有一个1.66μB的净磁矩,同时Ni的掺杂引起多个杂质能级出现,靠近价带的杂质能级由Cu 3d态组成,而在导带底位置出现的杂质能级主要由Ni 3d态组成.整个能带向高能级方向平移.     

掺铁TiO2纳米微粒的制备及光催化活性

采用溶胶-凝胶法制备了不同掺铁量的TiO2光催化剂,运用TG-DTA,XRD,SEM,DRS和测定光电导等方法对催化剂进行了表征.以高压汞灯为光源,罗丹明B为目标降解物,对其光催化活性进行了研究.实验结果表明,掺铁的TiO2比纯TiO2具有更好的催化活性.其原因:掺杂的铁作为受主捕获电子,使TiO2的n型半导体降低了光电导,控制了空穴和电子复合;同时掺杂的Fe3 可能形成杂质能级,由于掺杂能级处于禁带之中,使较长波长的光子也能被吸收,从而扩展吸收光谱的范围,增强了对可见光的吸收.     

二氧化钛基Z型光催化剂综述(英文)

TiO_2具有无毒、耐腐蚀、高稳定和低成本等特点,已被广泛应用于光催化领域.然而,TiO_2的禁带较宽,只能吸收仅占太阳光4%的紫外光部分,从而严重限制了TiO_2光催化材料对太阳光的有效应用.目前很多方法被用来提高TiO_2光催化效率,如金属/非金属掺杂、贵金属负载、异质结构建和与碳材料复合等,这些策略在提高光催化剂的光催化效率中,涉及到如何兼顾太阳光利用和光生空穴和电子氧化还原能力两者之间的平衡.通常,半导体禁带宽度越窄,半导体的光谱响应范围越宽、太阳光利用越多,但光生空穴和电子氧化还原能力越弱.因此,想要提高TiO_2的光催化性能,应考虑以下两个方面的平衡:即降低带隙宽度,拓展半导体的光谱响应范围;与之同时使价带电位更正,导带电位更负之间的平衡.然而,这两个点是相互矛盾的,因此很难在单组分光催化剂中同时实现这两点.然而,Z型光催化剂可以同时满足这两点要求,即:降低半导体的带隙,同时使导带更负,价带更正,因为Z光催化系统利用了两种半导体的优势,其电荷转移机制类似于自然界中绿色植物的光合作用,其中的载流子传输途径包括两步激发,类似于英文字母"Z",Z型光催化剂因此而得名.Z型光催化剂既能保留较高还原能力的光生电子和又能保留较高氧化能力的光生空穴,由于Z型光催化剂特有的优点,在光催化领域的应用越来越广泛.本文综述了TiO_2基Z型光催化剂的最新研究进展,其中包括:Z型光催化机理、应用范围和光催化活性改进方法.Z型光催化剂分为传统液相Z型光催化体系,全固态Z型光催化体系,以及最近几年发展起来的直接Z型光催化体系.它们的主要应用包括:光催化分解水产氢、二氧化碳还原制备太阳燃料、有机污染物光催化降解.论文进一步讨论了提高TiO_2基Z型光催化剂性能的方法,包括pH值调控、电子导体选择、助催化剂使用、掺杂改性、组织形貌控制、两种半导体质量比优化等.最后,提出了TiO_2基Z型光催化剂今后面临的挑战和发展前景展望.     

胶体碳球制备新型Sn/Se共掺杂TiO2及其光催化性能

TiO₂的光催化性能改性是水污染治理和光催化领域研究的重点方向。为了增强TiO₂的光催化性能,以胶体碳球为模板,采用水热-煅烧法首次制备了TiO₂空心球、硒掺杂二氧化钛(Se-TiO₂)空心球和锡/硒共掺杂二氧化钛(Sn/Se-TiO₂)空心球。同时,对Sn/Se-TiO₂空心球的形貌、结构以及元素组成进行了表征,并以罗丹明B为模拟污染物,评价了样品的光催化性能。结果表明：TiO₂为单一的锐钛矿相,Sn和Se成功地掺杂进入了TiO₂晶格中;Sn/Se共掺杂形成了缺陷能级,降低了禁带宽度和电子-空穴对的复合几率,提高了可见光的响应范围。当Se掺杂2.0%(物质的量分数,下同),Sn掺杂0.5%时,样品光催化性能最好,去除率为76.92%。同等条件下空心球的光催化去除率：TiO₂22,说明Sn/Se共掺杂T...     

离子掺杂氧化锌光催化纳米功能材料的制备及其应用

氧化锌是一种氧化还原电位高、激子结合能大（~60 meV）、物理和化学稳定性较好、廉价且无毒的半导体光催化剂。本文综述了掺杂氧化锌光催化剂的掺杂离子类型、制备方法、光催化效果及其作用机理。掺杂氧化锌的离子类型主要包括非金属离子单掺杂、金属离子（包括过渡金属离子和稀土金属离子）单掺杂和双离子共掺杂。离子掺杂后可在氧化锌晶格中引入更多的氧空穴或缺陷,为光致氧化反应提供更多的活性位点;或者引入杂质能级,扩大光吸收范围,增强可见光吸收能力。同时,掺杂的离子也可作为电子捕获中心,阻止光生电子-空穴对的复合,从而提高氧化锌光催化剂的性能。此外,文中还对掺杂氧化锌光催化剂在有机污染物降解、抗菌和光催化制氢等方面的应用进行了系统概述,并对其发展趋势作了展望。     

Bi掺杂锐钛矿相TiO2第一性原理计算

采用密度泛函理论(DFT)下的第一性原理平面波超软赝势方法计算了Bi掺杂前后锐钛矿相TiO2的电子结构和光学性质。结果分析发现:掺杂后Ti的电荷布居数下降,O的布居数增加;同时在TiO2禁带中引入了杂质能级,禁带宽度略微变大,但是杂质能级的作用抵消了禁带宽度变大带来的不利影响,使得掺杂后TiO2吸收带边红移并在可见光范围内吸收明显增强。     

Fe3+/V5+/TiO2复合纳米微粒光催化性能的研究

采用溶胶凝胶法制备了Fe^3 /V^5 /TiO2复合纳米微粒作为光催化剂。光降解反应结果表明，其掺杂催化剂Fe^3 /V^5 /TiO2的光催化活性明显提高。光电化学研究显示，铁离子可以成为电荷陷阱，促进空穴的界面传递反应。适量钒离子掺杂使TiO2电极的光电流升高，导带中电子浓度的增大，加快了界面的电子传递反应。共掺杂催化剂中，Fe^3 、V^5 分别提供了空穴与电子的陷阱，同时加快了电子与空穴的界面传递反应，从 更有效地提高光催化活性。双组份共掺杂为提高TiO2光催化活性提供新的途径。     

利用镧系离子掺杂延长{001}/{101}晶面共暴露的TiO_2纳米片电荷分离态以增强其光催化产氢性能（英文）

随着工业化的快速发展,化石燃料等不可再生能源的快速消耗,人类将面临不可预测的能源危机.寻找有效的方法来解决能源短缺问题已成为当今的重要研究课题.氢能是一种可以替代化石燃料的清洁可再生能源.利用半导体光催化分解水制氢技术可以将太阳能转化为氢能.目前,在已开发的半导体光催化材料中, TiO_2因具有无毒、稳定、廉价等优点而备受光催化领域关注.但是,在实际应用方面, TiO_2的光催化效率受限于其低的光子利用率和较高的光生电子-空穴复合率.许多研究表明, TiO_2不同晶面的协同作用有利于光生载流子的迁移分离,并且适量的掺杂能够捕获光生电子,从而抑制其复合.而镧系元素因其特殊4f电子结构受到广泛的关注.采用物理或化学方法将镧系离子引入TiO_2晶格中,可以影响光生电子和空穴的动力学过程,延长光生载流子的分离状态,从而提高光催化活性.本文通过简单溶剂热法成功合成了镧系离子掺杂{001}/{101}面共暴露的TiO_2纳米片.X-射线粉末衍射(XRD)、X-射线光电子能谱(XPS)和高分辨透射电子显微镜(HRTEM)的表征结果证明了镧系离子选择性掺杂在TiO_2纳米片{101}面上.结合紫外可见吸收光谱、稳态荧光、瞬态荧光衰减曲线、光电流及莫特-肖特基曲线等手段对镧系离子掺杂TiO_2光催化剂进行了表征,结果表明,镧系离子掺杂TiO_2纳米片增强了对光的吸收,同时延长光生载流子的分离状态,阻碍光生电子和空穴的复合.考察其光催化分解水制氢的性能.研究表明,在相同掺杂量(0.5 mol%RE~(3+)=Ho~(3+), Er~(3+), Tm~(3+), Yb~(3+), Lu~(3+))的TiO_2纳米片中, Yb~(3+)-TiO_2纳米片光催化剂具有优异的产氢活性,在模拟太阳光照射1 h后产氢量是纯TiO_2的4.25倍.同时讨论了不同浓度助催化剂Pt作用下的Yb~(3+)-TiO_2纳米片产氢效果,当Pt含量量为0.3wt%时,光解水产氢活性最佳, Pt/Yb~(3+)-TiO_2纳米片的产氢量是Yb~(3+)-TiO_2的2倍,纯TiO_2的8.5倍.光催化分解水产氢活性的显著提高可以归因于光生电子-空穴对在TiO_2纳米片{001}/{101}面的快速分离,以及镧系离子4f电子轨道对电子的捕获和杂质能级的产生减小了禁带宽度,这不仅延长了光生载流子的分离状态,增加了H~+还原成H_2的机会,而且还可以拓展可见光的吸收范围.可见,利用镧系离子掺杂TiO_2和共暴露{001}/{101}面协同作用是一种实现TiO_2基光催化活性提高的有效方法之一.镧系离子掺杂的策略对提高半导体纳米材料的光催化活性有显著的影响,可能在光催化、光电化学和太阳能电池领域有更广泛的应用.     

含空位和杂质缺陷的LiFePO4电子结构的第一性原理计算

采用基于密度泛函理论的第一性原理研究了含空位和杂质缺陷的LiFePO_4电子结构,通过能带、态密度、布居分布分析,阐明缺陷及阴离子掺杂对材料电化学性能的影响,为LiFePO_4的结构设计和实验研究提供理论基础。结果表明,Li、Fe和O空位型缺陷对LiFePO_4的带型变化影响较小,禁带中无新的导带,禁带宽度有一定程度缩小,有利于电子的传导,但总能量上升,造成结构的不稳定性,在实际高温制备过程中,可能产生少量杂相,影响LiFePO_4正极材料的电化学性能;P空位缺陷对LiFePO_4的带型影响同样较小,但在禁带中产生了两条新的导带,禁带宽度明显变窄,有利于电子的传导,虽然总能量上升,造成结构的不稳定性,但在实际高温制备过程中,可能产生微量有利于电化学性能的杂相;F掺杂LiFePO_4的带型出现了明显的变化,半导体类型由p型转变为n型,极大地促进了电子的导电性,总能量下降,结构稳定,对LiFePO_4正极材料的电化学性能有正面的影响。     

含咪唑环与嘧啶环的可可碱掺杂的氮化碳聚合物及其增强的光催化性能

氮化碳聚合物(PCN)是一种有潜力的聚合物型半导体光催化剂,具有原料廉价、物理化学稳定性好以及合适的带边等优点,使其在光催化分解水产氢产氧、降解染料以及抑菌等方面具有很大的潜力.但是由于高电负性的N原子被低电负性的C原子均匀地取代,增加了PCN内部电子传输的难度,使得光生电子–空穴对的复合度增加,进而光催化活性降低.由于PCN的分子结构可调控,所以可以通过分子掺杂来改变氮化碳分子结构,提高光催化活性.常用的分子有机分子,比如吡啶类化合物、嘧啶类化合物以及噻吩类化合物.研究发现,强电负性元素的引入可以改变氮化碳的电子分布,所以含有两个N原子的咪唑类化合物理论上对氮化碳的光催化活性提升帮助更大.由于此类化合物还未见有报道.因此,本文将同时含有咪唑环和嘧啶环的可可碱与尿素反应,生成了咪唑环与嘧啶环共掺杂的氮化碳聚合物,并通过一系列的表征方法验证了咪唑环与嘧啶环成功引入到氮化碳聚合物结构中;然后利用紫外可见光谱(UV-vis),荧光发射光谱(PL),电子顺磁共振(EPR)等实验与DFT理论计算共同验证了咪唑环与嘧啶环共掺杂的氮化碳光学性能;最后通过光催化分解水产氧和降解罗丹明B(RhB)来评价改性后氮化碳的活性.UV-vis测试结果表明,改性后的PCN不仅本征吸收发生红移,而且在波长450到550 nm之间有一个明显的吸收峰,这是由于引入咪唑环和嘧啶环后本征n→π~*电子跃迁所致.并且改性后的PCN的禁带宽度相比于未改性有所降低,说明其可利用的可见光范围增加.PL和EPR结果表明,改性后的PCN不仅光生载流子的复合得到了极大地抑制,而且能够产生更多的孤对电子.通过XPS价带谱,莫特–肖特基曲线以及DFT理论计算推断出改性前后PCN的带边位置,发现改性后PCN的价带位置更正,说明其产生的空穴氧化能力更强.光催化分解水产氧和降解RhB发现,最优改性样品CN40的产氧和降解RhB活性分别是未改性氮化碳的4.43倍和5.1倍.这说明通过咪唑环和嘧啶环共掺杂改性后的氮化碳的光催化活性确实得到了大幅度提升.最后通过添加各种牺牲剂和ESR/DMPO表明·O_2~-和空穴是降解RhB的主要因素.综上所述,通过咪唑环和嘧啶环共掺杂改性氮化碳聚合物,不仅提高了其光吸收能力,抑制了光生载流子的复合,产生更多的孤对电子,而且使得价带位置正移,提高了价带空穴的氧化能力,光催化活性显著提高.     

钴、碳共掺杂氮化碳的制备及其光催化分解水产氢性能

针对氮化碳可见光利用率低和在光催化过程中光生电子与空穴易于复合的缺点,通过钴、碳共掺杂提升其光催化性能。以尿素为前驱体,维生素B12（VB12）为钴源和碳源,将二者的混合物进行一步煅烧,制备钴、碳共掺杂氮化碳（CNCoC）。结果表明,钴、碳共掺杂对氮化碳的微观形貌、骨架结构和官能团都没有造成明显影响;但是增大了产物的比表面积,调节了产物的能带结构,增加了其对可见光的吸收。更重要的是,相比于单一元素碳的掺杂,钴、碳共掺杂具有协同作用,能够更有效地提升光生电子和空穴的分离和传递效率。因此,加入6 mg VB12制备的CNCoC-6的可见光光催化分解水产氢速率达到了56.1 μmol·h^-1,是纯氮化碳（CN）的3.05倍;而碳掺杂氮化碳（CNC-6）的产氢速率仅为CN的2.55倍。     

铋系半导体光催化剂的光催化性能调控

铋系光催化剂具有良好的光催化性能,由于其Bi6s和O2p的轨道杂化,提高了价带的位置,从而减小了禁带宽度,使得铋系光催化剂在可见光范围内具有明显的吸收,已成为近年来光催化领域研究的热点。铋系光催化剂在可见光区的光催化活性虽然比传统的TiO₂有明显的提高,但其量子效率不高,光生电子-空穴容易结合,对可见光的吸收有限等问题,使其离实际应用仍存在较大的距离。因此,必须采取合适的措施来提高铋系催化剂的光生载流子速率,抑制光生电子-空穴复合,增强对可见光的吸收。本文主要综述了近年来在铋系半导体光催化剂光催化性能调控方面的最新研究进展,重点就铋系半导体光催化剂的形貌控制、特殊晶面暴露、贵金属沉积、离子掺杂、非金属掺杂、半导体复合等方面进行分析和总结,并对铋系半导体光催化剂的发展方向进行展望。     

不同水热条件下TiO_2/电气石复合材料的光催化机制

为了解决TiO_2纳米光催化剂易团聚、禁带宽度大的缺点,本文采用水热法制备了TiO_2/电气石(3%)复合材料,研究了水热时间(2~10 h)和水热温度(120~200℃)对TiO_2/电气石(3%)的光催化性能的影响。发现光催化降解罗丹明B的降解率由单独TiO_2的60%提高到加入电气石后的99.4%。电气石具备自发极化电场效应,降低了TiO_2的禁带宽度和光生电子和空穴的复合率。在水热温度160℃、水热时间4 h条件下制备的TiO_2/电气石(3%)表现出最高的光催化降解罗丹明B的性能。说明TiO_2与这种有自发极化的材料复合能够有效提高其光催化性能。     

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%.     

ZnSe掺Cu与Zn空位缺陷的稳定性、电子结构与光学性质

采用基于密度泛函理论框架下的第一性原理平面波超软雁势方法, 对ZnSe闪锌矿结构本体、掺入p型杂质Cu(Zn_0.875Cu_0.125Se)及Zn空位(Zn_0.875Se)超晶胞进行结构优化处理. 计算并详细分析了缺陷体系的形成能和三种体系下ZnSe材料的态密度、能带结构、集居数、介电和吸收光谱. 结果表明: 在Zn空位与Cu掺杂ZnSe体系中, 由于空位及杂质能级的引入, 禁带宽度有所减小, 吸收光谱产生红移; 单空位缺陷结构不易形成, Zn_0.875Se结构不稳定, Cu掺杂ZnSe结构相对更稳定.     

硼碘共掺杂氮化碳的制备及光解水制氢性能

以三聚氰胺为原料, 氧化硼为硼源, 碘化铵为碘源, 采用一步煅烧法合成了硼、 碘共掺杂氮化碳催化剂(CNBI). 利用X射线衍射仪、 透射电子显微镜、 傅里叶变换红外光谱仪、 X射线光电子能谱仪、 紫外-可见光分光光度计及电化学工作站等对样品进行表征和分析, 利用可见光照射下光解水制氢反应来评价其催化性能. 研究结果表明, B, I元素均匀分散掺杂入氮化碳共轭骨架形成B, I共掺杂CN半导体材料. 相比于未掺杂材料CN, B, I共掺杂CN样品禁带宽度略微降低, 光吸收能力增强, 光生电子-空穴对的分离效率提高, 这主要归因于B, I元素的电负性差异有助于氮化碳光生电子和空穴的重新分散. 共掺杂样品CNBI(0.1, 0.3)具有最佳光解水制氢性能, 在可见光照射下产氢速率达104.3 μmol/h, 分别是纯CN(22.74 μmol/h)的4.6倍, B掺杂氮化碳CNB(0.1)(51.92 μmol/h) 的2.0倍及碘掺杂氮化碳CNI(0.3)(33.37 μmol/h) 的3.1倍.     

TiO2光催化分解水制氢研究进展

综述了近几年改善TiO2光催化分解水制氢的方法措施.向水中添加供电子物质可减少光生电子与空穴的复合,添加碳酸盐或碘化物有利于光生电子与空穴分离;TiO2表面沉积适量的金属颗粒也有利于实现电子和空穴分离,但沉积太多的金属颗粒不但降低TiO2对光的吸收而且还可能成为光生电荷复合的中心;掺杂合适的金属离子通过形成杂质能级可把TiO2的吸光范围至拓宽可见光,掺杂非金属元素使TiO2的带隙(Eg)变窄,从而使TiO2的吸光红移更明显,但掺杂离子有可能成为光生电荷复合的中心;染料敏化或半导体复合有利于实现电荷分离,提高光电转换效率.将多种修饰方法有机结合起来制取氢足目前的一个研究方向,最后分析了未来的研究重点.