多酸修饰二氧化钛纳米管复合膜的制备、表征及其光催化降解甲基橙的研究

采用电沉积方法制备了H3PW12O40(PW12)-TiO2复合膜,通过SEM,EDX和XRD等手段,对其组成和结构进行了表征,并考察了该复合膜催化剂对降解甲基橙的催化活性.实验结果表明PW12存在于TiO2纳米管结构中,用PW12多酸修饰的TiO2纳米管比单独的TiO2纳米管展示出更好的光催化性能,由于电子能够从TiO2纳米管导带转移到多酸的LUMO能级,有效抑制了光生电子和空穴的复合,因而使PW12-TiO2复合膜表现出更高的光催化活性.     

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

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/TiO2三元复合光催化材料体系,其中TiO2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/TiO2三元复合材料体系.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TiO2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,TiO2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/TiO2三元复合材料与TiO2的吸收带边一致,复合材料中石墨烯和电气石并没有改变TiO2的光吸收特征.光催化降解异丙醇实验表明,石墨烯/电气石/TiO2三元复合材料优于单纯的TiO2、石墨烯/TiO2以及电气石/TiO2二元复合材料,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TiO2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TiO2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/TiO2三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TiO2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.     

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.     

V2O5-TiO2催化剂光催化降解2,4-二氯苯酚：催化剂载体和表面活性剂的影响

采用固态分散法成功制备了表面活性剂修饰的不同V2O5含量的二元氧化物催化剂,运用X射线衍射、漫反射光谱、红外光谱、扫描电镜和N2吸附-脱附法对该纳米复合物进行了表征,并在紫外光照射下考察了其光催化降解2,4-二氯苯酚的性能.结果表明,50 wt%, V2O5-TiO2(记为50V2O5-TiO2)表现出比单纯V2O5, TiO2和P25更高的光催化活性, V2O5和TiO2之间的相互作用会影响二元氧化物催化剂的光催化效率. CTAB和HTAB的修饰显著增加了50V2O5-TiO2样品的催化效率,其中(50V2O5-TiO2)-CTAB催化剂在反应30 min后表现出最高的2,4-二氯苯酚降解率(100%)和反应速率(2.22 mg/(L·min)).表面活性剂的加入能修饰二元氧化物中V2O5和TiO2的光学和电子性质,从而显著提高其光催化活性.     

砚状ZnO/石墨烯复合物的制备及其光催化性能

采用一步溶液法制备了具有砚状形貌的ZnO/石墨烯复合材料。利用扫描电子显微镜(SEM)、高分辨透射电子显微镜(HRTEM)等研究不同制备条件下ZnO形貌、石墨烯的复合状态和砚状ZnO的生长机理;通过测试300W氙灯对甲基蓝溶液(MB)的光催化效率,研究制备条件、形貌结构对复合物的光催化性能的影响;通过对复合物光致发光(PL)光谱以及紫外-可见光谱测试,研究石墨烯复合物对光生电子-空穴对的复合以及光吸收效率的影响。研究结果表明,砚状ZnO的生长机理为"掏蚀机理";复合石墨烯增强了这种ZnO的光吸收效率、降低了ZnO的带隙,并且降低了光生电子-空穴对复合几率,有利于提高光催化性能;砚状ZnO的砚底上表面粗糙,有利于反应面积的增加,砚底的厚度较薄,有利于光生电子-空穴对在较强的内建电场下迅速向相反方向分离,降低其复合几率,从而使其具有优异的光催化性能。     

TiO2-石墨烯光催化剂：制备及引入石墨烯的方法对光催化性能的影响

利用溶胶-凝胶法原位制备了二氧化钛/石墨烯(TiO2-GE)复合光催化剂,研究了纯TiO2以及不同方法制备的TiO2-GE复合光催化剂对亚甲基蓝及罗丹明B光催化降解性能。结果表明:石墨烯的引入提高了TiO2的光催活性,这主要是得益于石墨烯优异的电子传输性能及较好吸附特性。不同方法制备TiO2-GE复合催化剂的光催化活性也存在较大差别。原位制备的TiO2-GE复合光催化剂表现出最佳的光催化活性。     

纳米α-Fe_2O_3-TiO_2改性海藻酸钠/壳聚糖双极膜制备与表征

在壳聚糖(CS)阴离子交换膜中添加纳米复合半导体材料α-Fe2O3-TiO2,制备了PVA-SA/α-Fe2O3-TiO2-CS双极膜(PVA:聚乙烯醇;SA:海藻酸钠),并用扫描电镜、热重分析、电子万能试验机和接触角测定仪等对其进行了表征。研究结果表明,添加纳米α-Fe2O3-TiO2可提高双极膜的亲水性、热稳定性和机械性能。纳米α-Fe2O3-TiO2复合半导体材料较纳米α-Fe2O3或纳米TiO2单一半导体材料具有更强的光催化双极膜中间界面层水解离能力,在高压汞灯照射下能大大降低双极膜的膜阻抗和膜电阻压降(IR降)。     

光促甲烷和水合成甲醇和氢催化剂的研究

用表面改性法制备TiO2/SiO2，以等体积浸渍法制备负载型复合半导体催化剂(MoO3,ZnO)-TiO2/SiO2，通过XRD、BET、TPR、IR、UV-Vis DRS和TPD等技术对材料的表面形态结构、吸光特性、化学吸附性能及光催化甲烷和水的反应性能进行了表征和分析。结果表明，MoO3-TiO2/SiO2和ZnO-TiO2/SiO2的表面物种均具有显著的量子尺寸效应，在表面分别形成Mo—O—Ti和Zn—O—Ti复合结构；MoO3和TiO2在载体表面的复合可提高对光能的利用率并可增强对甲烷的化学吸附性能， 结果使得MoO3-TiO2/SiO2的光催化反应性能明显优于ZnO-TiO2/SiO2；在固定床环隙反应器中，150℃MoO3-TiO2/SiO2光催化气相甲烷和水合成了目的产物甲醇和氢，甲醇的选择性达到87.3％。     

N/F掺杂和N-F双掺杂锐钛矿相TiO2(101)表面电子结构的第一性原理计算

采用密度泛函理论(DFT)平面波赝势方法计算了N/F掺杂和N-F双掺杂锐钛矿相TiO2(101)表面的电子结构. 由于DFT方法存在对过渡金属氧化物带隙能的计算结果总是与实际值严重偏离的缺陷, 本文也采用DFT+U(Hubbard 系数)方法对模型的电子结构进行了计算. DFT的计算结果表明N掺杂后, N 2p轨道与O 2p和Ti 3d价带轨道的混合会导致TiO2带隙能的降低, 而F掺杂以及氧空位的引入对材料的电子结构没有明显的影响. DFT+U的计算却给出截然不同的结果, N掺杂并没有导致带隙能的降低, 而只是在带隙中引入一个孤立的杂质能级, 反而F掺杂以及氧空位的引入带来明显的带隙能降低. DFT+U的计算结果与一些实验测量结果能够较好地符合.     

N／F掺杂和N-F双掺杂锐钛矿相TiO2（101）表面电子结构的第一性原理计算

采用密度泛函理论(DFT)平面波赝势方法计算了N/F掺杂和N-F双掺杂锐钛矿相TiO2(101)表面的电子结构.由于DFT方法存在对过渡金属氧化物带隙能的计算结果总是与实际值严重偏离的缺陷,本文也采用DFT+U(Hubbard系数)方法对模型的电子结构进行了计算.DFT的计算结果表明N掺杂后,N2p轨道与O 2p和Ti 3d价带轨道的混合会导致TiO2带隙能的降低,而F掺杂以及氧空位的引入对材料的电子结构没有明显的影响.DFT+U的计算却给出截然不间的结果,N掺杂并没有导致带隙能的降低,而只是在带隙中引入一个孤立的杂质能级,反而F掺杂以及氧空位的引入带来明显的带隙能降低.DFT+U的计算结果与一些实验测量结果能够较好地符合.