TiO_2表面光催化基元过程（英文）

在过去的几十年里,得益于二氧化钛(TiO_2)作为光催化剂在光催化分解水、污染物降解方面的潜在应用,人们对TiO_2光催化剂的开发、改良以及TiO_2表面光催化机理的基础研究方面都投入了巨大的精力。因此,在超高真空环境下,利用不同的实验和理论方法,人们对TiO_2表面(特别是金红石TiO_2(110)表面)的热催化和光催化过程进行了大量的研究,以此来获得上述重要反应中的一些机理性的信息。本文中,将从TiO_2的物质结构以及电子结构开始,然后着重介绍TiO_2表面光生电荷(电子和空穴)的传输、捕获以及电子转移动力学方面的进展。在此基础上,总结了甲醇在金红石TiO_2(110)、TiO_2(011)以及锐钛矿TiO_2(101)表面光化学基元反应过程的一些实验结果。这些结果不仅能增进我们对表面光催化基元过程的认识,同时也能激励我们进一步去研究表面光催化基元过程。最后,基于现有光化学实验结果,简短地讨论了我们对光催化反应机理的一点看法,并提出了一个可能的光催化模型,这可以引起人们对光催化反应机理更全面的思考。     

TiO2表面光催化基元过程

在过去的几十年里,得益于二氧化钛(TiO₂)作为光催化剂在光催化分解水、污染物降解方面的潜在应用,人们对TiO₂光催化剂的开发、改良以及TiO₂表面光催化机理的基础研究方面都投入了巨大的精力。因此,在超高真空环境下,利用不同的实验和理论方法,人们对TiO₂表面(特别是金红石TiO₂(110)表面)的热催化和光催化过程进行了大量的研究,以此来获得上述重要反应中的一些机理性的信息。本文中,将从TiO₂的物质结构以及电子结构开始,然后着重介绍TiO₂表面光生电荷(电子和空穴)的传输、捕获以及电子转移动力学方面的进展。在此基础上,总结了甲醇在金红石TiO₂(110)、TiO₂(011)以及锐钛矿TiO₂(101)表面光化学基元反应过程的一些实验结果。这些结果不仅能增进我们对表面光催化基元过程的认识,同时也能激励我们进一步去研究表面光催化基元过程。最后,基于现有光化学实验结果,简短地讨论了我们对光催化反应机理的一点看法,并提出了一个可能的光催化模型,这可以引起人们对光催化反应机理更全面的思考。     

磷酸根和Nafion修饰TiO_2表面腐植酸调控的可见光催化降解苯酚性能(英文)

光催化水处理技术有望成为一种有效去除水中难降解有机污染物的方法.尽管人们已经研制了大量的新型光催化剂,但在环境应用中纳米TiO_2仍是最受欢迎的催化剂.由于光催化反应在表面发生,反应动力学主要取决于TiO_2的表面性质,因此,表面修饰是调控TiO_2光催化反应的重要手段,其中Nafion和磷酸根表面修饰TiO_2简单可行.Nafion修饰可以通过离子交换吸附富集阳离子底物提高光催化降解效率;而磷酸根修饰则可以增强对弱吸附底物的降解活性.另一方面,水中共存的天然有机物(NOM)例如腐植酸(HA)将抑制TiO_2光催化降解目标污染物的活性,同时又将通过光敏化诱导可见光催化性能.因此,研究如何调控NOM对光催化反应的影响将有助于光催化水处理技术的工程应用.本文以HA作为代表性的NOM,研究了磷酸根和Nafion两种不同修饰方法对HA敏化TiO_2性能的影响规律.可见光降解苯酚的实验结果表明,HA的敏化可以提高TiO_2可见光降解苯酚的效率.磷酸根修饰TiO_2抑制了HA的敏化作用,而Nafion修饰则增强了HA的敏化作用并提高可见光降解苯酚的活性.当HA浓度为20 mg/L时,Nafion修饰TiO_2降解10 mg/L苯酚的反应速率常数由(0.003±0.001)min~(-1)提高至(0.025±0.003)min~(-1).表面修饰引起的反应活性差异不能归因于HA的吸附容量的变化,因为吸附实验表明在光催化反应条件下,两种表面修饰的TiO_2对HA的吸附容量并无显著差异.添加不同的自由基捕获剂发现,HA敏化TiO_2及Nafion修饰TiO_2降解苯酚的主要活性物质为超氧自由基,而磷酸根修饰TiO_2的光催化反应中并没有超氧自由基.通过检测超氧自由基的电子自旋共振信号进一步证实了这一点.测试发现,光催化反应中Nafion修饰TiO_2产生的H_2O2增加,而磷酸根修饰的几乎不产生H_2O2,说明可能发生了四电子的氧还原反应.莫特-肖特基曲线(Mott–Schottky)的测试结果表明,Nafion修饰TiO_2的平带电位从-0.54 V负移到-0.85 V,多数载流子电子的密度提高了62%.电化学阻抗结果显示,Nafion修饰TiO_2具有较小的界面电子迁移阻抗.这些变化有利于提高电子迁移速率,抑制复合并增加超氧自由基的生成,从而提高光催化性能.因此对TiO_2进行恰当的表面修饰,将有助于强化HA的敏化作用,并提高可见光催化降解目标有机污染物的活性.     

基于表面优先型相变过程构建TiO_2(B)/锐钛矿异相结纳米纤维及其光催化性能（英文）

近年来,随着光催化研究的逐渐深入,人们发现有效的电荷分离往往是提高半导体光催化材料活性的关键步骤.其中,在多晶相半导体材料中构建异相结结构是提高其活性的最有效途径之一.在TiO_2四种稳定晶相中,Ti O2(B)是发现最晚且研究较少的,并且目前对它的研究主要集中于锂离子电池方面,而在光催化领域中研究较少.然而,该材料特殊的晶相结构带来的各向异性和较大的比表面积都表明其在光催化领域同样具有潜在应用前景.本文通过三步合成法,包括水热过程、离子交换、退火过程,研究了TiO_2(B)向锐钛矿转变的相变过程,同时构建了具有TiO_2(B)/锐钛矿异相结结构的纳米线.在材料退火过程中,通过X射线衍射(XRD)和表面灵敏的紫外拉曼光谱(UV-Raman)分别监测了样品体相和表面相的晶相结构变化过程.发现了XRD与UV-Raman结果的不同步性.同时,通过对样品扫描电镜和透射电镜的形貌表征可知,TiO_2(B)纳米线在退火过程中部分结构发生坍塌,且逐渐转化成锐钛矿相,而相变过程很可能首先发生在坍塌结构处.高分辨电镜结果表明,纳米线中同时存在着TiO_2(B)结构和锐钛矿结构,并形成很好的异相结.根据相结构变化和形貌观察结果,我们推测TiO_2(B)向锐钛矿转变过程为表面优先型的相变过程,即材料表面相先于体相先发生相变过程,由此得到的材料表面相含有较多的锐钛矿,而体相中含有较多的TiO_2(B).为了验证构建的异相结材料的光催化活性,采用光催化产氢和降解污染物双重反应对样品进行了表征.结果发现,单独的TiO_2(B)材料活性较锐钛矿材料相差较多,但其混相结构能较大幅度地提高光催化活性.其中,通过逐渐退火过程形成的体相为24%的TiO_2(B)、表面为100%的锐钛矿相的催化剂活性最高,其产氢活性可达4.82 mmol/(h?g),降解污染物反应速率常数为0.0402 min~(-1).采用光电流测试、电化学阻抗和荧光光谱表征了材料在光催化过程中的载流子动力学行为.结果表明,最优活性的催化剂中体相的异相结结构对光生电荷的分离、传输都起到良好地促进作用,而表面的锐钛矿相主要负责高活性的表面反应,二者共同对高活性的光催化反应起到推动作用.     

迪美唑在光催化剂TiO_2表面吸附特征及降解机理的理论研究

本文采用密度泛函理论研究了迪美唑在锐钛矿TiO_2(101)和(001)晶面的吸附和降解反应机理,分别研究了真空和中性水溶剂条件下,迪美唑在锐钛矿表面吸附的稳定性特征,理论优化了最稳定的吸附构型.研究发现在两种条件下,迪美唑均能吸附在TiO_2表面,吸附过程产生的氢键能增强吸附结构的稳定性,稳定的吸附构型使得迪美唑的C–N键变长,有利于发生开环降解反应.本文还研究了迪美唑在锐钛矿TiO_2两个晶面上的开环降解反应机理.研究发现,在TiO_2(101)晶面迪美唑开环降解所需反应活化能较高,很难发生,而在(001)晶面迪美唑开环可在热反应条件下进行.在水溶剂条件下,迪美唑在锐钛矿TiO_2晶面上的降解反应活化能有所降低,可见溶剂条件能促进降解反应的进行.     

微波助离子液体中Y掺杂TiO_2光催化剂制备及微波强化光催化活性

在微波助离子液体介质中制备稀土元素Y掺杂改性TiO_2光催化剂,以提高催化剂的光催化降解活性,用XRD、SEM和BET等测试手段对催化剂结构进行表征;以甲基橙溶液和苯酚溶液为模拟污染物,分别在紫外光照(UV)和微波辐射-紫外光照(MW-UV)条件下考察TiO_2-Y催化剂的光催化活性;以对苯二甲酸作为荧光探针利用荧光技术检测TiO_2-Y催化剂表面所产生的羟基自由基,并对光催化降解反应进行动力学分析,探索了光催化降解反应机理.实验结果表明,通过优化反应条件后制得的TiO_2-Y催化剂具有较高光催化活性和热稳定性,在UV和UV-MW条件下降解甲基橙和苯酚溶液1.5h后,甲基橙降解率分别为98.3%和99.5%,苯酚降解率分别为97.5%和98.2%.荧光光谱分析表明,TiO_2-Y在MW-UV条件下产生的羟基自由基比UV条件下要多,因而微波辐照具有强化TiO_2-Y降解模拟污染物的作用;反应动力学数据分析表明,TiO_2-Y光催化降解甲基橙溶液反应呈现一级反应动力学规律,其表观速率常数K最大值为0.051 9min-1.     

紫外光致活的Pt／TiO2对苄醇催化自氧化反应的研究

本文主要研究了紫外光照致活的掺铂n型半导体氧化物催化剂(Pt/TiO_2)对苄醇进行催化自氧化的反应,依据光电导、PZC、表面组成、反应活性等实验结果,提出了反应机理及其单光子作用模型。     

Ni纳米粒子作为电子转移剂和NiSx作为产氢界面活性位协同增强 TiO2光催化制氢性能

作为一种传统的半导体光催化材料, TiO_2因具有低价易得、无毒性及稳定性好等优势而一直受到研究者的关注.理论上, TiO_2的能带结构可满足分解水制氢的条件.然而,研究发现TiO_2本身的光催化制氢性能较低,主要是由于TiO_2被光激发后生成的电子和空穴尚未到达材料表面参与反应,就在其体相内发生复合,导致电子参与有效光催化制氢反应的几率较低.近年来,为提高TiO_2的制氢性能,研究者主要通过半导体耦合、元素掺杂、形貌调控和助剂修饰等方式对TiO_2进行改性.其中,助剂表面修饰由于用量少、条件温和并且对主体材料结构影响很小而成为一种常见和有效的改性手段.最常用的电子助剂是贵金属如Au, Ag, Pt和Pd.当TiO_2表面沉积微量的贵金属纳米粒子时,导带上的光生电子被贵金属捕获并迅速转移,将H~+在贵金属表面发生界面还原反应生成H_2,从而有效提高了制氢效率.除了贵金属电子助剂外,还有一些价格较低、产量丰富的非贵金属如Co, Cu, Ni和Bi等也可以作为电子助剂应用于光催化制氢,在提高制氢性能的同时也降低了光催化剂的成本.但在大多数情况下,这些金属材料(除贵金属Pt以外)本身都不能作为有效的界面催化活性位点,表现出较低的界面析氢速率,导致金属-半导体光催化材料的产氢活性低.因此,进一步对金属表面进行改性、增加界面催化活性位点、促进其界面产氢催化反应,对于提高金属-半导体光催化材料的制氢性能非常重要.在金属作为电子传输介质修饰半导体材料的制氢过程中,电子传输介质快速转移光生电子和有效捕获溶液中的H+直接进行界面催化还原反应生成H_2这两个步骤都十分关键.在制备金属-半导体光催化材料时,对于通常的金属材料本身都不能作为界面催化活性位点、缺乏有效的界面产氢活性位点的问题,可通过在金属表面进一步修饰作为界面催化活性位点的基团或离子来解决.本文采用先将Ni纳米粒子光沉积在TiO_2表面、再在水热条件下在Ni纳米粒子表面生成NiS_x的两步法合成了以Ni作为电子转移介质、以NiS_x作为界面催化活性位点共修饰的高效TiO_2光催化剂(称为TiO_2/Ni-NiS_x).研究结果表明,优化后的TiO_2/Ni-NiS_x光催化的最高制氢速率(223.74μmolh~(-1))分别是纯TiO_2, TiO_2/Ni和TiO_2/NiS_x样品的22.2, 8.0和2.2倍.性能增强的原因是Ni纳米粒子作为电子传输体、NiS_x作为界面催化活性位点同时提高了光生电子的转移速率和界面催化反应速率,即Ni和NiS_x两者协同作用增强了TiO_2光催化制氢性能.这种非贵金属助剂和界面活性位点协同作用的方法为设计高制氢性能催化剂提供了新的思路,并有望在光催化领域得到应用.     

石墨烯/电气石/二氧化钛复合材料的制备及其光催化降解异丙醇性能（英文）

光催化是一种理想的应对全球能源短缺和环境污染问题的绿色化学技术,可以实现有机物降解、水分解和二氧化碳光还原等.光催化反应效率受诸多因素影响,其中光生载流子(电子和空穴)的分离和传输具有至关重要的作用.以往研究表明,构筑多元复合光催化材料体系有利于光生电子和空穴有效分离和传递,促进催化剂表面的还原和氧化反应,从而提高其光催化效率.基于以上考虑,我们提出了一种新型的石墨烯/电气石/TiO_2三元复合光催化材料体系,其中TiO_2因其价格低廉、无毒和抗光腐蚀等优点而被广泛用作光催化材料;石墨烯(G)拥有独特的二维结构、高的电子迁移率、大的比表面积,是一种优异的催化剂载体;电气石(T)的一个重要性质是表面存在自发极化的静电场,该静电场将会影响光激发载流子的分离、传递和光催化反应过程.利用水热法合成了不同成分的石墨烯/电气石/TiO_2三元复合材料体系.为了对比研究石墨烯表面电荷性质的影响,其中一组的石墨烯(氧化石墨)为直接采用改良的Hummers法所制备,其表面带负电;另一组的石墨烯经聚二烯丙基二甲基氯化铵(PDDA)修饰,使其表面带正电.X射线衍射结果显示,三元复合材料中TiO_2为锐钛矿相,其结晶性没有因为与石墨烯和电气石的复合而受到影响.扫描和透射电子显微分析表明,TiO_2的平均颗粒大小为15 nm左右,并且与石墨烯和电气石均匀复合.傅里叶变换红外光谱和zeta电位表征分析证实,PDDA可以有效地对石墨烯进行功能化改性,使其表面带正电.紫外-可见分光光谱显示,石墨烯/电气石/TiO_2三元复合材料与TiO_2的吸收带边一致,复合材料中石墨烯和电气石并没有改变TiO_2的光吸收特征.光催化降解异丙醇实验表明,石墨烯/电气石/TiO_2三元复合材料优于单纯的TiO_2、石墨烯/TiO_2以及电气石/TiO_2二元复合材料,当石墨烯和电气石的质量百分比分别为0.5%和5%时,三元复合材料降解异丙醇产生丙酮的速率达到最高(223μmol/h).特别值得指出的是,由表面带负电的石墨烯组成的复合材料比由带正电荷的PDDA-石墨烯组成的复合材料具有更高的光催化性能,原因如下:在水溶液中显示正zeta电位值的TiO_2与带负电的石墨烯/电气石复合物静电吸引而均匀紧密复合,有利于TiO 2中光生电子和空穴的快速分离和传递,从而使得石墨烯/电气石/TiO_2三元复合材料具有较高的光催化性能;而带正电的PDDA-石墨烯/电气石复合物和TiO_2颗粒相互排斥而不宜复合,导致PDDA-石墨烯基复合材料的光催化活性降低.机理研究揭示,在三元复合材料光催化降解异丙醇的反应中起主要作用的是光生电子和空穴.基于以上研究结果,我们提出了三元复合材料光催化降解异丙醇的反应机理.     

TiO_2@Ag修饰的粉煤灰微集料增强水泥基材料光催化性能（英文）

自清洁和空气净化能力是绿色建筑发展的两个重要方向,它们不仅使建筑体向功能多样化方向发展,而且为新材料的应用提供了平台.因与大量城市环境污染物(氮氧化物,挥发性有机化合物等)直接接触,具有空气净化能力的光催化水泥基材料引起了人们广泛关注.在过去几十年里,通过使用直接喷洒到浆体表层或与水泥原材料预先共混的方法,国内外已相继将TiO_2光催化材料应用到了一些实际工程中.但TiO_2光催化剂在水泥基材料中高效和稳定发挥其性能仍需解决两个关键问题:(1)它在水泥基体中分散性和效能耐久性问题;(2)其量子效率和对可见光利用率问题.对于后者,目前的材料制备与改性方法,如金属、非金属改性等已能获得量子效率和可见光活性都较好的TiO_2类光催化材料.研究表明,水泥水化产物(氢氧化钙、C-S-H凝胶等)的包覆、后期碳化所致气体和光线扩散孔隙的降低是导致TiO_2光催化剂在水泥基材料中耐久性和利用率差的可能原因.我们前期报道了一种将纳米TiO_2催化剂预先负载到水泥基材料用的多孔粗集料表面,然后将负载型催化剂整体引入到水泥基体中的催化剂应用方法,发现该法能有效提升TiO_2催化剂在水泥基材料中的催化效率和耐久性.微米级活性粉煤灰具有良好的水泥基材料兼容性,通过采用简单的碱激发手段,可形成孔径小于50 nm的介孔和微孔类沸石材料,从而影响光催化材料的催化性能.因此,基于粉煤灰的特征,为了进一步提高TiO_2催化剂在水泥基材料中的应用效率和催化耐久性,我们采用碱激发法获得了大比表面和介孔结构的沸石类粉煤灰材料,将其用于负载纳米TiO_2催化剂,然后引入到水泥基体中,制备了沸石类粉煤灰/TiO_2光催化水泥基材料,同时研究了光还原Ag修饰对沸石类粉煤灰/TiO_2光催化水泥基材料的催化性能影响及其催化耐久性.结果表明,具有分级孔结构的沸石粉煤灰载体可有效提升纳米TiO_2光催化剂在水泥基体中的暴露度,同时还增加了其对气相苯(200×10~(-6)初始浓度)的光催化去除能力.最佳Ag修饰量(1.4×10~(-4)wt%)沸石类粉煤灰/TiO_2光催化水泥样品对气相苯的光催化伪一级反应速率常数达到9.91×10~(-3)min~(-1),分别是沸石类粉煤灰/TiO_2光催化水泥样品和纯TiO_2光催化水泥样品效能的3和10倍.光催化稳定性结果发现,在3次催化循环后,样品对气相苯的光催化去除率仍能达到96.3%(180 min).考虑到水泥基材料碳化是影响光催化剂使用耐久性的一个关键因素,我们还评估了沸石类粉煤灰/TiO_2光催化水泥样品28d加速碳化后的光催化性能.结果表明,经过加速碳化后,样品对气相苯光催化去除率只降低了11%,相比于同条件下纯TiO_2水泥样品性能,其催化耐久性显著提高,表明沸石类粉煤灰载体可有效提升TiO_2在水泥基体中的催化耐久性.这可能是由于其高孔隙特性可降低周围水泥水化产物的形成量,如高钙/硅比C-S-H凝胶及氢氧化钙结晶,进而降低了这些水化产物碳化所带来的影响.     

TiO_2表面NiO光催化活性中心的构建及其光催化析氢性能研究

本文采用离子快速注入法,在低温条件下利用微量NiO物种对TiO_2光催化剂表面微结构进行了修饰和改性,构建了NiO光催化反应活性中心。研究结果表明,Ni物种是以TiO_2-NiO-H形式存在于TiO_2表面;相对于未修饰的TiO_2光催化剂,NiO的修饰很大程度上提高了其光催化析氢性能,在最佳条件下,放氢速率由1.1μmol·h~(-1)提高到241.4μmol·h~(-1)。另外,Ni物种含量,热处理温度,乙醇电子给体浓度,催化剂悬浮浓度对光催化析氢性能也有明显的影响。光电化学实验结果表明,NiO的表面修饰能够产生有效的光催化反应活性中心,增强了光生电子-空穴电子对的分离效果。所制备的光催化剂采用X射线粉末衍射(XRD),光电子能谱(XPS)等技术进行表征。     

甲醇和水在金红石TiO2_(110)表面光催化基元过程研究:表面光催化新的物理图像的探讨（英文）

作为在能源和环境领域有着重要应用前景的绿色技术,光催化的发展受到了广泛的关注.然而,光催化反应机理和动力学方面的研究却远远落后于光催化剂的发展.一系列的研究结果表明,TiO2表面光催化反应起始于光的吸收.TiO2吸收大于其带隙的光子后,则会产生电子空穴对,而电子,空穴分离后,会在百飞秒量级时间范围内弛豫到导带或者是价带边上,多余的能量则会激发声子振动.而分离的电子或者是空穴会在皮秒或者是更长时间范围内与反应物相互作用,来驱动反应发生.因此,在这种前提下,反应速率和激发光的波长就没有直接联系了.相反,反应速率和TiO2对不同光波长的光吸收系数有很大关系.本文总结了本课题组最近在金红石TiO2(110)表面开展的甲醇和水的光解离基元过程的研究结果.首先,我们发现在金红石TiO2(110)表面,利用400nm去照射甲醇或者水覆盖的金红石TiO2(110)表面,甲醇能够高效的发生解离,而水却没有观察的解离.通过基于基态反应的理论计算,发现水两步解离的低能垒是反应不能有效发生的关键.另外,我们也研究了甲醇在355和266 nm光照射下在金红石TiO2(110)表面的解离,结果发现,甲醇在266 nm照射下的解离速率比355 nm快了100倍,而TiO2对266 nm光的吸收系数比355 nm也就高了2–4倍.这充分说明了光子能量对反应有非常显著的贡献,现有的光催化模型已经不能很好地解释我们观察的实验现象.在此基础上,我们提出了一个基于非绝热过程和基态反应的模型来解释这些新的实验现象.这个模型不仅能解释我们的实验结果,还能为增进光催化的理解打开一扇新的大门.为了能让这个模型应用到一般的光催化过程中,需要着重开展表面附近电子-空穴复合导致的基态光催化反应的研究,来验证和完善这个新的模型.     

构建2D-2D TiO2纳米片/层状WS2异质结用以增强可见光响应光催化活性

自Fujishima等首次报道以来, TiO_2作为一种重要的光催化剂引起了人们的广泛关注.迄今为止,研究人员已经开发出了各种形貌的具有不同晶型结构的TiO_2,并用于光催化降解有机污染物.然而, TiO_2的宽禁带(3.2 eV)使其难以被可见光激活,导致对太阳光的利用效率低下.而且,在光催化反应中,低的量子效率无法满足实际应用.因此,开发具有可见光响应的高催化活性的TiO_2基催化剂具有重要意义.集成复合材料、纳米材料和界面的优势构建纳米复合材料已成为提高TiO_2光催化活性的重要策略. WS_2具有典型的类石墨烯层状结构和窄的带隙(1.35 eV),且其导带高于TiO_2的导带,适合作为助催化剂修饰TiO_2,使其具备可见光响应光催化活性.本文采用一步水热法,以二维(2D)TiO_2纳米片作基质材料,直接在其表面原位生长WS_2层,制得了2D-2D TiO_2纳米片/层状WS_2(TNS/WS_2)异质结. XRD及Raman结果表明,层状WS_2与TiO_2纳米片紧密结合在一起,且两者之间形成了W=O键.TEM结果显示,层状WS_2以面-面堆叠方式均匀地包覆在TiO_2纳米片表面,包覆层数约为4层.光催化性能测试结果表明,可见光照射下, TNS/WS_2异质结对RhB的光催化降解能力高于原始TiO_2纳米片和层状WS_2,光催化活性得到明显增强.紫外可见光谱试验结果显示,层状WS_2的引入极大地增强了异质结的光吸收性能. PL光谱测试表明, TNS/WS_2异质结具有更高效的载流子分离效率.为了进一步证实是光吸收性能的提升还是载流子分离效率的增强对光催化性能提起其主要作用,本文还研究了3D-2D TiO_2空心微球/层状WS_2(THS/WS_2)复合材料.结果表明, TNS/WS_2异质结比THS/WS_2复合材料具有更高效的光生电子和空穴的分离能力.从而证明了TiO_2纳米片与层状WS_2之间完美的2D-2D纳米界面和紧密的界面结合,显著增加了载流子分离效率,因此光催化活性得到明显提高.为了研究TNS/WS_2异质结光催化剂的光催化机理,采用重铬酸钾、草酸铵、叔丁醇和对苯醌作自由基猝灭剂进行了自由基捕捉剂实验.结果表明,空穴在RhB降解过程中起主要作用,超氧自由基起次要作用.基于自由基猝灭实验结果和带隙结构分析,提出了TNS/WS_2异质结对RhB的光催化机理为双转移光催化机理.可见,界面异质结工程化可能是制备高效和环境稳定的光催化剂的新思路     

具有高光催化活性的介孔单晶TiO_2薄膜的制备（英文）

光催化技术在常温下能够直接利用太阳能来驱动反应,已成为一种理想的环境污染治理和洁净能源生产技术.但是比较多的限制条件阻碍了光催化发展和实际应用,如何有效解决这些限制因素成为光催化技术走向工业化应用必须解决的问题.目前光催化材料研究存在的问题主要包括:(1)研究工作主要集中的粉体催化剂存在分离困难、难以重复利用的缺点,开发与基底结合牢固的薄膜材料是十分必要的;(2)光催化材料本身的光响应范围影响光催化材料的应用,拓宽催化剂材料的光吸收范围是亟待解决的;(3)光生电子和空穴的复合问题是影响光催化剂催化活性的主要因素之一,很多方法被用来阻止电子-空穴对的复合,如:金属和非金属的掺杂、贵金属修饰、异质结、新型催化剂结构的设计等,如何设计促进催化剂光生电子和空穴的分离成为光催化技术应用的重要问题.介孔单晶TiO_2通过自组装的方法被制备,成为TiO_2的一种新结构材料.介孔单晶TiO_2结合了介孔材料的大比表面积、单晶材料的电荷传输快等优点,对于光催化性能有了很大的提高.目前介孔单晶TiO_2主要是以粉体的形式存在,但是粉体TiO_2的应用受到多方面的影响,如:难回收不易重复利用,与电催化结合难,不能借助电催化提高电荷分离效率等.TiO_2薄膜能够解决粉体的不足,近年来,TiO_2光催化薄膜得到广泛的研究,TiO_2薄膜的制备方法很多,主要有液相制备方法、物理气相沉积法、化学气相沉积法、电化学方法、溅射法等.TiO_2薄膜主要是以纳米颗粒的形式沉积在基底上,并且多为多晶和无定形.而对于介孔单晶TiO_2薄膜的制备和研究还没有报道.我们通过直接焙烧一步法制备了介孔单晶TiO_2薄膜,并对TiO_2薄膜的生长情况、表面结构、TiO_2晶相和晶体完整程度的变化对性能的影响进行了研究.通过调变Ti与F的比例和煅烧温度,研究不同的制备条件对其性能的影响,从而制备高活性TiO_2薄膜.为了进一步提高介孔单晶TiO_2薄膜的活性和拓展其吸收光谱范围,使用高温热解自组装技术一步法制备了贵金属Au负载的介孔单价TiO_2薄膜,Au纳米颗粒跟TiO_2有较好的结合度.在可见光照射下,Au/TiO_2异质结构中Au表面由等离子体共振效应产生的活泼电子会注入TiO_2导带,使光生电子和空穴得到分离;同时Au具有特殊的可见光等离子体共振效应能显著改善TiO_2类宽带隙半导体的可见光响应性能.实验用还原Cr(VI)作为探针反应,考察不同Au含量对光催化性能的影响.     

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.     

TiB_2/均相硼掺杂TiO_2核/壳结构提升光催化氧化水产氧活性（英文）

光催化可实现污染物降解、分解水制氢和CO_2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TiB_2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TiO_2,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TiO_2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TiO_2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TiB_2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TiB_2核的表面所形成的TiO_2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6–10μm的TiB_2核表面形成了厚约400 nm的TiO_2壳层,在TiO_2/TiB_2中TiO_2壳层重量比约为30%,TiO_2壳层中锐钛矿相TiO_2占比为65 wt%,金红石相TiO_2占比为35 wt%.TiO_2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TiB_2/TiO_2展现出比未掺杂的金红石、锐钛矿相及两者混合相的TiO_2均具有更高的光催化氧化水产氧的能力.     

阳极氧化法制备TiO_2纳米管及其光催化性能

纳米TiO_2对诸多环境污染物有显著的光催化降解作用,光催化已发展成为新型环境污染治理技术.本文采用阳极氧化法制备出TiO_2纳米管,对比了四种电解液组成(A氟化铵+硫酸铵+水;B氟化铵+硫酸铵+乙酸+水;C氟化铵+硫酸铵+甘油+水;D氢氟酸+二甲基亚砜(DMOS)+乙醇)对催化剂表面形貌及光催化性能的影响.结果表明,电解液A和C都制备出了形貌清晰的TiO_2纳米管,管径约为60～74 nm.样品经400℃煅烧,TiO_2晶型主要为锐钛矿相;经500℃煅烧,出现少量金红石相;经700℃煅烧,晶型全部为金红石相.具有良好形貌的TiO_2纳米管同时具有良好的紫外光吸收能力.当亚甲基蓝初始浓度为10mg·L~(-1),经500℃煅烧的TiO_2纳米管光催化活性最佳,光照30 min亚甲基蓝的降解率达89.98%.亚甲基蓝光催化降解反应符合一级反应动力学,反应速率常数为0.079 30.     

镍催化偶联反应机理研究进展(英文)

近期发展了很多镍催化的偶联反应作为在有机合成中高效构建C–C键的方法,同时开展了很多关于控制镍催化反应活性和选择性的机理研究.这些研究发现,镍催化反应机理往往和相应的钯催化反应机理不同,因为镍催化偶联经常包括自由基和双金属机理.本文总结了镍催化偶联反应机理的最新进展.对于这些反应机理的理解为发展具有更高效率和选择性的镍催化偶联反应提供了帮助.     

通过一种新型共前驱体的方法简单合成能增强TiO_2可见光光催化活性的C修饰及Fe,N共掺杂的TiO_2材料（英文）

为了提高TiO_2的可见光光催化活性,研究者做了很多努力.晶格掺杂和表面修饰是提高TiO_2可见光光催化活性的两种重要方法,但由于这两种方法实施的条件不一样,所以很难将它们在同一个制备过程中统一起来.为了解决这个问题,我们通过邻菲罗啉与Fe2+络合形成Fe(II)-phenanthroline配合物,然后以这种配合物作为Fe,N,C的共同来源,通过水热-煅烧的方法合成Fe,N共掺杂且C表面修饰的TiO_2材料(Fe,N co-doped TiO_2/C).通过其在可见光照射下降解4-NP来评估材料的性能,同时也以XRD,FT-IR,XPS,EPR等手段对材料进行表征,结合实验结果推测了其可能的光催化机理.由可见光光催化降解动力学数据可知,Fe,N co-doped TiO_2/C表现出来的性能最佳,其反应速率常数为0.00963 min儃1,约是纯TiO_2的5.9倍,约是以三种单独来源分别引入Fe,N,C三种元素样品((Fe,N,C)-TiO_2)的5.1倍.这说明不同引入元素之间的强烈相互作用可以协同地提高TiO_2光催化能力.HRTEM图片显示Fe,N co-doped TiO_2/C中存在异质结结构,它是锐钛矿和板钛矿的混合晶相,TiO_2的这种混合晶型有利于增强其光催化性能.结合Fe,N co-doped TiO_2/C的XPS、拉曼和FT-IR数据进行分析,结果显示C元素是修饰在TiO_2晶体表面,N元素是完全掺杂到TiO_2晶格中,Fe元素大部分掺杂到晶格中,少部分修饰在晶体表面(这在Fe掺杂TiO_2的研究中较常见).另外,从XPS元素相对含量分析可知,用邻菲罗啉作为C,N的共同来源同时引入C,N,引入量比以往的报道提高了2倍左右,这表明我们报道的这种方法可以高水平地同时向TiO_2引入C和N元素,为同时高水平地向TiO_2中引入这两种元素提供了新的思路.结合EPR,时间-电流图,电化学阻抗图谱(EIS),光致发光图谱,Mott-Schottky图谱,XPS导带分析,活性自由基中间体捕获实验等多种表征的结果,我们推测Fe,N co-doped TiO_2/C的光催化机理如下:在可见光照射下,Fe,N co-doped TiO_2/C被激发而产生电子与空穴(h~+),电子与氧气反应形成O_2~-,然后O_2~-和h~+把污染物分子氧化并降解它们,而材料表面所修饰的C物质受之前所转移过来电子的保护,而不至于被强烈氧化.本研究实现了TiO_2晶格掺杂与表面修饰在同一制备过程的结合,为制备高性能无机-有机元素共掺杂,内部-外部共改性的TiO_2光催化材料提供了新的思路.     

N2O分解反应的动力学-Monte Carlo模拟

N2O是一种大气污染物，许多金属氧化物能使它发生分解反应，生成N2和O2．因此，N2O的催化分解反应很早就引起了研究者的兴趣[1]．传统的动力学着重去研究反应速率和一些反应参数，如温度、压力、组成等的关系，往往忽视催化表面的性质，从而使速率方程变得十分复杂．Kobayashi等人利用过渡应答法研究了N2O分解反应的动力学，计算了两个基元步骤的速率常数，但没有给出表面物种浓度变化的更进一步的信息[2]．近年来，MonteCarlo方法在研究表面反应机理和动力学方面已经取得了一些成功[3，4]．我们曾用MonteCarlo方法研究了N2O催化分解…