掺Sn的纳米TiO2表面光致电荷分离及光催化活性

采用溶胶-凝胶法制备了不同掺Sn量的TiO₂纳米粒子, 主要利用表面光电压谱(SPS)和光致发光光谱(PL)对样品进行了表征, 并通过光催化降解苯酚实验来评估样品活性. 重点考察了热处理温度和掺Sn量对样品表面光生载流子的分离及光催化活性的影响, 并探讨了Sn使TiO₂纳米粒子改性的机制. 结果表明, 在适当温度处理下, 适量Sn的掺入能够有效促进TiO₂纳米粒子表面光生载流子的分离, 以至于使其光催化活性得到显著提高.     

水热法制备具有高光催化活性的镧掺杂二氧化钛纳米晶

采用水热法合成钛酸钾(K₂Ti₈O₁₇)纳米棒,并将它作为前驱体水热转晶合成TiO₂纳米晶,同时通过在水热体系中引入稀土元素La³⁺实现对TiO₂的La掺杂.考察了不同条件下钛酸盐向TiO₂的转晶过程,发现水热溶液的pH值、温度以及预处理步骤对转晶过程有很大的影响.利用X射线衍射以及透射电子显微镜对样品的晶相和形貌进行了表征.利用电感耦合等离子体原子发射光谱测量了所合成的La掺杂TiO₂样品中的La含量.通过在紫外光下降解甲基橙(MO,10mg/L)测试了La掺杂TiO₂样品的光催化性能.结果表明La掺杂后TiO₂的光催化活性大大提高.在0.15mol/LLa³⁺浓度下180oC水热合成的La掺杂TiO₂样品显示了最佳的光催化活性.其对MO的光催化降解反应常数高达0.11min^-1,大约是空白TiO₂样品的9.20倍,P25TiO₂的3.69倍.     

掺Sn的纳米TiO2表面光生束缚激子的验证及其特性

采用溶胶-凝胶法制备了不同掺杂Sn的TiO₂纳米粒子, 并主要利用表面光电压谱(SPS)和电场诱导表面光电压谱(EFISPS)对样品进行了表征, 重点探讨了焙烧温度和掺Sn量对TiO₂光生电荷性质的影响. 同时揭示了样品结构与表面光生束缚激子的关系及其特性. 结果表明: 与束缚激子相关的光伏响应只在含有金红石相的TiO₂样品中出现, 且在混晶相中表现得更加显著. 掺杂适量Sn不仅提高了纳米TiO₂的与带带跃迁相关的SPS响应强度, 同时也使与束缚激子相关的SPS响应明显增强.     

原位红外光谱法研究La/TiO2对有机污染物的光催化降解

本工作采用改进的溶胶-凝胶法和浸渍法制备了TiO₂掺杂稀土离子La³⁺的La/TiO₂光催化剂，运用XRD、N₂吸附脱附、紫外可见漫反射光谱(DRS)、表面光电压谱(SPS)等手段进行表征，同时利用原位红外技术考察了La/TiO₂样品光催化降解乙烯、丙酮、苯的气-固相光催化氧化反应，对其光催化降解有机污染物的过程进行了研究。结果表明，TiO₂经适量La³⁺掺杂后，锐钛矿晶型的含量增加，晶粒度减小，比表面积增大，禁带宽度增加，表面光电压信号增强，光生电子-空穴对有效分离；La/TiO₂样品对乙烯、丙酮、苯的光催化性能与纯TiO₂相比均有不同程度的改善，乙烯可以被光催化氧化完全矿化生成CO₂，而丙酮被光催化氧化可能生成中间产物丙酸，苯被光催化氧化可能生成中间产物苯酚和苯醌。     

Cu掺杂TiO2及其纳米管的制备、表征与光催化性能

通过溶胶-凝胶法和水热法制备了Cu掺杂TiO₂纳米粉末及其纳米管,并通过XRD、TEM、FE-SEM、EDS、UV-Vis/DRS等手段分析了样品的结构。发现以Cu掺杂TiO₂纳米粉末为水热反应原料制备的纳米管中不含Cu,对其原因进行了分析讨论并通过Zn掺杂TiO₂纳米粉末证实：以金属掺杂TiO₂纳米粉末为原料,通过水热法制备TiO₂纳米管中不含有相应金属离子,这是由于金属离子在强碱水热条件下形成金属配离子,使金属离子溶解于水中而不能形成金属掺杂TiO₂纳米管。对所得样品进行了光催化性能测试,发现：Cu掺杂TiO₂粉末的光催化产氢效率为0.75 μmol·(g·h)^-1,高于由其本身及P25通过水热法制备的TiO₂纳米管(分别为：0.42 μmol·(g·h)^-1,0.25 μmol·(g·h)^-1)的光催化产氢效率。     

N, S共掺杂纳米TiO2：水解-溶剂热法合成及可见光催化活性

采用简单的两相分离的水解-溶剂热法,以硫脲为非金属原料,可控地制备了N,S共掺杂的纳米TiO₂。所获得的纳米TiO₂平均粒径为10nm、粒径分布集中,且分散性好。N,S共掺杂拓展了纳米TiO₂对可见光的响应范围。气氛可控的表面光电压谱（SPS）的测试结果表明,N,S共掺杂引起的表面态能够捕获光生空穴,进而有利于光生电荷分离。在可见光催化氧化水产氧及降解污染物乙醛的过程中,共掺杂的纳米TiO₂表现出了高的活性,甚至优越于N掺杂的。这主要归因于N,S共掺杂的纳米TiO₂分散性好、可见光吸收强和光生电荷分离高。     

TiO2/Gd2O3纳米粉体的制备、表征及光催化活性

利用酸催化的溶胶-凝胶法制备了纯TiO₂和Gd³⁺(0.5wt%)掺杂的TiO₂纳米粉体，采用XRD、BET、XPS、紫外-可见漫反射谱(DRS)和表面光电压谱(SPS)等技术进行了表征；以亚甲基蓝(MB)的光催化降解为探针反应，评价了其光催化活性；探讨了Gd³⁺掺杂对TiO₂纳米粉体的光催化活性的影响机制。结果表明，TiO₂/Gd₂O₃纳米粒子对MB溶液的光催化活性提高到纯TiO₂的1.5倍。掺杂Gd³⁺可以强烈抑制TiO₂由锐钛矿相向金红石相的转变；阻碍TiO₂晶粒的生长；提高高温组织稳定性，改善粉体的表面织构特性；形成光生电子的浅势捕获陷阱，抑制e^-/h⁺复合，这些因素共同作用最终导致TiO₂/Gd₂O₃纳米粉体的光催化活性明显提高。XPS分析结果证实，掺杂Gd³⁺导致粉体的表面羟基含量降低。由于产生了量子尺寸效应，复合粉体的紫外吸收带边蓝移，光的吸收能力略有降低。     

Au改性TiO2纳米复合物对人结肠癌细胞的光催化杀伤作用

提出了通过TiO₂表面修饰纳米Au的方法来提高纳米TiO₂光催化杀伤癌细胞的效率. 采用化学还原法合成了Au改性的TiO₂ (Au/TiO₂)纳米复合物, 并研究了不同掺杂量(1 wt%, 2 wt%, 4 wt%)的Au/TiO₂对人结肠癌LoVo细胞的光催化杀伤效应. 结果显示, Au的掺杂大大地提高了TiO₂纳米粒子光催化杀伤结肠癌LoVo细胞的效率, 而且Au掺杂量的高低影响Au/TiO₂光催化杀伤癌细胞的效率, 掺金量为2%的Au/TiO₂对结肠癌LoVo细胞具有最高的光催化杀伤效率. 在光强为1.8 mW/cm²的紫外灯(λ_max＝365 nm)下光照110 min, 50 μg/mL掺金量为2%的Au/TiO₂能够杀死所有的癌细胞, 而同样浓度的TiO₂只能杀死70%的癌细胞.     

Ni控制掺杂TiO2薄膜的光电化学及光催化活性

采用溶胶-凝胶法通过分步控制工艺制备了镍离子不同掺杂方式的TiO₂薄膜。通过甲基橙的光催化降解动力学来表征其光催化活性。结果表明：镍离子非均匀掺杂在掺杂量0.5%时可以明显增强TiO₂的光催化活性，而均匀掺杂提高TiO₂的光催化活性较小。光电化学表征结果显示：镍离子非均匀掺杂TiO₂薄膜的瞬时光电流信号较强，说明其光生载流子易于生成且分离效果较好；循环伏安曲线表明，光照时Ni非均匀掺杂的TiO₂薄膜改变了体系的氧化还原电位，说明了薄膜内建电场的建立。基于半导体的P-N结原理探讨了镍离子非均匀掺杂TiO₂薄膜的光催化活性机理。     

原位碳、氮共掺杂二氧化钛空心球的制备与可见光光催化性能

在H₂O₂-HF 的乙醇-水混合溶液中, 通过水热处理碳氮化钛(TiCN)制备了碳、氮共掺杂TiO₂ 空心球(CNTH). 用X 射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、X 射线光电子能谱(XPS)和紫外-可见(UV-Vis)吸收光谱表征了所制备的样品. 在可见光(λ≥400 nm)照射下, 通过降解甲基蓝检测了碳、氮共掺杂TiO₂空心球的光催化活性. 结果表明, 源于TiCN中的部分碳和氮原子原位掺入了TiO₂的晶格中, 部分碳掺入TiO₂点阵的间隙中. 该材料在整个可见光区展示了增强的可见光吸收, 其带边明显红移. 光催化研究表明在强可见光吸收和独特的空心球结构的协同作用下, 碳、氮共掺杂TiO₂空心球展示了比P25更高的可见光光催化活性.     

氟掺杂TiO2纳米管的可见光催化活性及第一性原理计算

作为光催化技术的核心, 提高TiO₂的光催化活性和对可见光的利用率是当前光催化研究中最重要的研究课题. 为了提高TiO₂纳米管的可见光催化活性, 采用化学气相沉积法对TiO₂纳米管进行了氟掺杂. 扫描电子显微镜(SEM)结果表明退火温度对于TiO₂纳米管的形貌完整性有较大影响, 当样品在550和700 °C下退火, 氟掺杂TiO₂纳米管结构受损; X射线衍射(XRD)分析表明氟掺杂对TiO₂由锐钛矿相转化为金红石相有阻碍作用; X射线光电子能谱(XPS)测试表明化学气相沉积能有效地对TiO₂纳米管进行非金属掺杂, 且该方法安全、操作简单. 氟掺杂TiO₂纳米管对甲基橙有较高的可见光催化降解活性. 第一性原理计算结果表明氟掺杂对TiO₂带隙无显著影响, 费米能级附近的F 2p轨道电子位于价带底部, 与O 2p交联作用较小, 因此对TiO₂光吸收带边影响不大. 氟掺杂能促进表面氧空穴的产生, 增加表面酸度与Ti³⁺, 有利于减少电子-空穴复合率, 从而提高其光催化活性.     

Cu/Ni助催化剂对TiO2光催化制取苯酚性能的影响

以TiO₂纳米粒子为主催化剂, 采用“浸渍-还原法”构筑了铜、镍共负载的二氧化钛基光催化系统。以苯为起始原料, H₂O₂为氧化剂, 研究了Cu/Ni助催化剂对TiO₂可见光催化制取苯酚性能的影响并对Cu/Ni助催化剂的作用机制进行了探讨。结果表明, 在可见光照射下, 纯TiO₂纳米粒子对苯氧化制取苯酚反应没有催化活性。铜、镍的引入可以明显地增强TiO₂可见光催化制取苯酚的活性。当使用负载有铜、镍的TiO₂作为催化剂时, 苯酚的产率可达到18%。结果还表明Cu、Ni之间存在着很强的协同作用。在该协同作用下, Cu、Ni共负载的TiO₂纳米粒子表现出了较单一金属负载的TiO₂纳米粒子高得多的光催化活性。     

Cu、N共掺杂TiO2纳米管光催化重整甘油制备合成气

通过碱性水热-离子交换法制备了Cu、N共掺杂TiO₂纳米管(Cu/N-TNT),对其光催化重整甘油制备合成气性能进行了研究。结果表明,Cu/N-TNT具有富含氧空位(O_V)的管状结构,N以Ti-N形式取代部分O形成杂质能级,Cu以Cu²⁺形式掺杂在催化剂晶格间隙和表面,Cu、N共掺杂促进TiO₂表面电荷有效分离,有利于其光催化重整甘油制备合成气活性和选择性的提高。紫外光照射8 h时,掺Cu量为0.15%的Cu/N-TNT催化剂上CO和H₂产量分别为7.3和8.5 mmol·g^-1,是原始TiO₂的9.1和70.8倍,n_H2/n_CO从0.52提高为1.18,n_CO/n_CO2从0.21提高至0.42。Cu/N-TNT表面N和O_V为醛类脱羰和甲酸脱水生成CO提供反应活性位点,Cu作为浅势阱提高光生电子-空穴分离效率。光生空穴(h⁺)是光催化重整甘油制备合成气过程中的主要活性物种,大量羟基自由基(·OH)和超氧自由基(·O₂^-)会导致甘油过度氧化,使CO选择性降低。     

铂修饰的稀土掺杂TiO2的光催化制氢活性

采用溶胶-凝胶浸渍法和光沉积法制备了系列Pt/RE/TiO₂纳米光催化剂, 通过XRD和电化学等手段进行了表征. 以甲醛为电子给体, 考察了光催化剂在紫外光照射下的制氢活性. 稀土掺杂提高了Pt/TiO₂光催化制氢活性, 其顺序分别为La/TiO₂＞Sm/TiO₂＞Eu/TiO₂＞Dy/TiO₂＞Er/TiO₂. 掺入稀土元素后, 阻止了TiO₂从锐钛矿晶型向金红石晶型的转变, 这是光催化剂活性提高的原因之一. 计算晶格畸变应力e数据表明, Ti^4＋可能反掺入了表面稀土氧化物的晶格中. 电化学实验表明稀土掺杂TiO₂的平带电位负移, 其原因可解释为晶格畸变促使费米能级升高, 导致催化剂导带的平带电位负移, 因此导带上被激发电子具有更强的还原能力, 从而有利于光催化制氢活性的提高.     

Cu/Ni助催化剂对TiO2光催化制取苯酚性能的影响

以TiO₂纳米粒子为主催化剂,采用"浸渍-还原法"构筑了铜、镍共负载的二氧化钛基光催化系统。以苯为起始原料,H₂O₂为氧化剂,研究了Cu/Ni助催化剂对TiO₂可见光催化制取苯酚性能的影响并对Cu/Ni助催化剂的作用机制进行了探讨。结果表明,在可见光照射下,纯TiO₂纳米粒子对苯氧化制取苯酚反应没有催化活性。铜、镍的引入可以明显地增强Ti₀₂可见光催化制取苯酚的活性。当使用负载有铜、镍的TiO₂作为催化剂时,苯酚的产率可达到18%。结果还表明Cu、Ni之间存在着很强的协同作用。在该协同作用下,Cu、Ni共负载的TiO₂纳米粒子表现出了较单一金属负载的TiO₂纳米粒子高得多的光催化活性。     

RE/TiO2光催化剂的谱学特性与气相光催化性能的研究

采用改进的sol-gel法和浸渍法制备了TiO₂掺杂稀土离子La³⁺、Y³⁺、Gd³⁺、Er³⁺、Nd³⁺、Pr³⁺的RE/TiO₂光催化剂,运用FTIR、XRD、TEM、低温氮吸附/脱附、TG/DTA、UV-Vis DRS、表面光电压谱(SPS)等进行表征,以气相光催化降解乙烯、溴代甲烷作为探针反应,阐明了RE/TiO₂光催化剂的谱学特性与气相光催化性能的关系。结果显示,稀土离子掺杂后,TiO₂的锐钛矿含量增加,比表面积增大,粒径变小,吸收边发生蓝移,表面光电压的响应阈值增大,此外,Pr³⁺除外的其它稀土离子掺杂的TiO₂的表面光电压信号增强;光催化降解实验表明,与纯TiO₂相比,La³⁺、Y³⁺、Gd³⁺、Er³⁺、Nd³⁺掺杂TiO₂样品上乙烯、溴代甲烷的光催化活性均有不同程度的增强,而且表现出较强的矿化能力。但是,掺杂Pr³⁺的TiO₂的光催化性能降低恰好对应较弱的表面光电压信号。所以,本文认为提高光生电子-空穴对的分离效率是改善光催化性能的关键因素。     

金属离子掺杂对TiO2光催化性能的影响

TiO₂光催化反应过程涉及光生电荷、电荷迁移、电荷在TiO₂表面的反应和溶液体相反应4个顺序相接并相互影响的步骤.在TiO₂中掺杂金属离子对以上4个步骤均有重要影响,合理的掺杂可有效地提高其光催化性能.本文综合了国内外此方面的最新研究成果,从提高TiO₂光催化性能和优化光催化反应的角度出发,在材料吸光能力、电荷扩散、表面反应、粒径和晶型等方面,全面地分析总结了金属离子掺杂的影响效果和规律性认识,并对TiO₂基光催化材料的金属离子掺杂改性研究的未来发展方向提出了建议.文中还简要介绍了相关的掺杂方法和材料表征手段.     

不同浓度Sn4+离子掺杂TiO2的结构、性质和光催化活性

采用溶胶-凝胶法制备出纯TiO₂和不同浓度Sn⁴⁺离子掺杂的TiO₂光催化剂(TiO₂-Snx%, x%代表Sn⁴⁺离子掺杂的TiO₂样品中Sn⁴⁺离子摩尔分数). 利用X 射线衍射(XRD)、X 射线光电子能谱(XPS)和表面光电压谱(SPS)确定了TiO₂-Snx%催化剂的晶相结构和能带结构, 结果表明: 当Sn⁴⁺离子浓度较低时, Sn⁴⁺离子进入TiO₂晶格, 取代并占据Ti⁴⁺离子的位置, 形成取代式掺杂结构(Ti_1-xSn_xO₂), 其掺杂能级在导带下0.38 eV处; 当Sn⁴⁺离子浓度较高时, 掺入的Sn⁴⁺离子在TiO₂表面生成金红石SnO₂, 形成TiO₂和SnO₂复合结构(TiO₂/SnO₂), SnO₂的导带位于TiO₂导带下0.33 eV处. 利用瞬态光电压谱和荧光光谱研究了TiO₂-Snx%催化剂光生载流子的分离和复合的动力学过程, 结果表明, Sn⁴⁺离子掺杂能级和表面SnO₂能带存在促进光生载流子的分离, 有效地抑制了光生电子与空穴的复合; 然而, Sn⁴⁺离子掺杂能级能更有效地增加光生电子的分离寿命, 提高了光生载流子的分离效率, 从而揭示了TiO₂-Snx%催化剂的光催化机理.     

超声波制备介孔结构的氮掺杂TiO2纳米晶及其可见光催化性能

采用超声波辐射法制备了具有介孔结构的高浓度氮掺杂TiO₂纳米晶(N/TiO₂).采用N₂物理吸附、X射线粉末衍射、X射线光电子能谱、透射电镜、光致发光谱和紫外-可见漫反射光谱等手段对N/TiO₂进行了表征.以波长为400~660nm的可见光为光源,以水体污染物邻苯二甲酸二甲酯为降解对象,考察了不同制备方法对N/TiO₂光催化性能的影响.结果表明,超声波辐射使氮掺杂浓度提高了2.2倍,该法制备的N/TiO₂同时具有较好的介孔结构,表现了更高的光催化降解邻苯二甲酸二甲酯的活性.其活性提高的主要原因是N/TiO₂含有更高浓度的氮和对可见光具有更强的吸收能力.     

铁、铈共掺杂纳米TiO2溶胶的制备及抗菌性能

采用微波辅助胶溶工艺,在常压条件下,制备了可用于室内杀菌的铁、铈共掺杂纳米TiO₂水溶胶,通过X-射线衍射(XRD)、等离子体发射光谱(ICP)、动态光散射(DLS)、透射电镜(TEM)和X射线光电子能谱(XPS)对产物结构进行了表征,并选用白色葡萄球菌、大肠杆菌和枯草芽孢杆菌为受试菌种,分别在无光照、自然光照条件下,采用菌落计数法对水溶胶抗菌性能进行了检测。结果表明,用微波辅助胶溶工艺制备的Fe/Ce共掺杂纳米TiO₂为锐钛矿型,其平均粒径为10 nm。Fe/Ce的掺杂改性能有效提高纳米TiO₂水溶胶的抗菌性能,尤其是在自然光照条件下,Fe/Ce共掺杂纳米TiO₂溶胶在6 h内对各测试菌种的杀菌率均为95%以上,表明Fe/Ce共掺杂纳米TiO₂水溶胶具有很高的广谱杀菌性。采用透射电镜(TEM)对杀菌过程中的大肠杆菌菌体形态进行观测,探讨了Fe/Ce共掺杂纳米TiO₂水溶胶的抗菌机理。