无铅卤系钙钛矿纳米晶:新一代光催化材料

由于TiO₂光催化材料具有反应速度快、稳定性好、不产生二次污染等优点,常被应用于污染物降解、CO₂还原、制氢等领域,然而TiO₂可见光利用率低,限制了其进一步广泛应用。近年来,无铅卤系钙钛矿纳米晶由于其带隙可调、可见光吸收能力强等优势在光催化领域显示出巨大的潜力。相关研究表明:无铅卤系钙钛矿纳米晶可成功应用于CO₂还原、有机污染物降解等领域,效果显著。基于此,本文首先阐述了无铅卤系钙钛矿纳米晶的制备方法,并系统地总结了其在CO₂还原、制氢、污染物降解、NO去除等领域的应用研究进展,最后就现阶段无铅卤系钙钛矿纳米晶光催化材料研究中存在的问题及今后的研究方向进行了分析和展望。     

Li+掺杂纳米TiO2的制备及其光催化性能研究

采用溶胶-凝胶法和浸渍法制备了Li⁺掺杂纳米TiO₂光催化剂,并用XRD和TEM等技术进行了表征;用pH值漂移法测量了催化剂的零电位pH值(pHpzc).结果表明,500℃煅烧制得的催化剂均为锐钛矿相;Li⁺的掺杂抑制了TiO₂粒子的生长,提高了催化剂的分散性;催化剂的零电位pH值为6.6—8.1,其值取决于Li⁺的浓度和掺杂方式.分别以紫外光和太阳光为光源,孔雀石绿和甲基橙为降解物评价了催化剂的光催化活性;并用气相色谱测试了污染物降解产生的CO₂的含量.结果显示,对孔雀石绿的降解,浸渍法和溶胶-凝胶法掺Li⁺都能有效提高TiO₂的光催化活性,但浸渍法比溶胶-凝胶法效果更好,催化活性最高的为浸渍法制备的5%(摩尔分数)Li⁺掺杂TiO₂,其在紫外光和太阳光下的光催化活性分别比纯TiO₂提高了6—8倍和9—10倍;对甲基橙的降解,除溶胶-凝胶法制备的3%(摩尔分数)Li⁺掺杂TiO₂能稍提高光催化活性外,其它Li⁺的掺杂都不同程度降低了TiO₂的光催化活性;随污染物降解率的增加,最终降解产物CO₂的含量增加.实验结果表明,Li⁺掺杂改变了催化剂表面的电荷状态从而改变了催化剂的零电位pH值是造成催化剂降解不同污染物具有不同催化活性的主要原因.     

花状CeO2/TiO2异质结的构筑及光催化性能

采用溶剂热法制备了三维花状CeO₂/TiO₂异质结光催化剂,然后以甲基橙(MO)为模拟有机污染物,在氙灯照射下考察了其光催化活性。结果表明,花状结构由纳米片和纳米颗粒复合而成,纳米片上均匀地附着CeO₂颗粒。Ce/Ti的物质的量之比(n_Ce/n_Ti)和溶剂热时间影响异质结的光催化性能,当n_Ce/n_Ti=0.1、溶剂热时间为6 h时,CeO₂/TiO₂的光催化活性达到最佳,氙灯照射50 min的降解率达95%,光催化活性优于纯TiO₂,这主要是CeO₂和TiO₂形成了异质结,有利于光生电子和空穴的分离。     

Keggin型铬取代的磷钨杂多阴离子/二氧化钛纳米膜光催化剂的制备及可见光催化性能

以钛酸四丁酯Ti(OC₄H₉)₄为TiO₂前驱体,Keggin型铬取代的杂多阴离子PW₁₁Cr为可见光活性组分,采用溶胶-凝胶提拉法在玻片表面制备了PW₁₁Cr/TiO₂纳米膜光催化剂,并用UV-Vis DRS、IR、XRD、SEM和TEM等技术手段对催化剂的光吸收性质、化学组成、晶相和表面结构形貌等进行了表征;讨论了膜中PW₁₁Cr和TiO₂相互作用的方式;以染料模型污染物RhB的可见光催化降解为探针,评估了PW₁₁Cr/TiO₂光催化剂的可见光催化活性,讨论了光催化反应机理,并与TiO₂的光催化反应机理进行了比较;考察了焙烧温度、PW₁₁Cr剂量和溶液pH值对光催化活性的影响;最后用RhB的循环降解实验评估了催化剂的光催化稳定性。 实验结果表明,PW₁₁Cr/TiO₂光催化剂对可见光有明显吸收,较低焙烧温度(100 ℃)下得到的膜为无定形结构,而较高焙烧温度(500 ℃)为纳晶结构;前者的光催化活性较高,在200 W金卤灯照射下降解10 μmol/L RhB,120 min的降解率为95%,4 h的COD去除率为72%;羟基自由基是导致RhB降解的主要氧活性物质;低的膜处理温度,高的PW₁₁Cr负载量和溶液酸性有利于提高PW₁₁Cr/TiO₂膜的光催化活性;经循环重复使用10次,PW₁₁Cr/TiO₂膜的光催化活性仅有较少损失。     

粉末状和薄膜状TiO2对敌敌畏的光催化降解

在光照条件下,光催化剂TiO₂有很强的氧化能力,能有效降解水中的有机污染物^[1],因而日益受到人们的关注.目前,研究最多的胶体溶液和颗粒悬浮体系因其难于分离、回收而限制了实际应用,因此催化剂固定问题急需解决.近年来,国内外对TiO₂薄膜催化剂做了许多探索^[2,3],取得了一些进展.本文用溶胶-凝胶法制备了一种粉末状TiO₂光催化剂和两种薄膜型TiO₂光催化剂,并进行了结构和形貌的表征,对敌敌畏稀释液做了光催化降解实验,并与粉末状TiO₂进行对比.结果表明:薄膜TiO₂催化剂优于粉末TiO₂催化剂.     

可见光响应纳米TiO2光催化薄膜的研究进展

综述了近几年国内外可见光响应纳米TiO₂薄膜制备的研究现状,阐述了TiO₂薄膜光催化降解有机物的催化机理,系统地介绍了提高纳米TiO₂吸收波长的方法、常用载体、可见光响应纳米TiO₂薄膜制备方法和在降解有机物方面的应用,并概述了其以后的发展趋势.     

纳米TiO2异相光催化降解2,6-二甲酚中间过程的UV吸收光谱和荧光光谱示踪研究

用半导体纳米材料(如TiO₂,SnO₂,CdS等)进行光降解消除污染物因其能最大限度利用太阳能和降解完全(有机质最终全部转化为CO₂,H₂O等)以及降解速率高的特点被认为是环境科学的新领域。异相光催化降解是有机物作为电子供体捕获TiO₂表面光生空穴自身被氧化降解的过程,因TiO₂价带空穴所具有强的氧化性,一般有机物都可进行光化学反应^[1]。这一过程总是以一系列的中间反应步骤所构成,中间体形成的峰形动力学曲线及其异于原初态的光谱特性对揭示光催化降解动力学过程至为重要。本文主要对2,6-二甲酚-纳米TiO₂悬浮体系光降解动态分子光谱进行示踪研究。     

金属Nd增强TiO2高硅氧纤维薄膜光催化性能及机理研究

用浸渍-提拉法在高硅氧玻璃纤维网格布上制备了具有优异光催化性能的金属Nd/TiO₂薄膜,甲基橙光催化降解实验表明Nd的掺杂对TiO₂催化剂薄膜的光学性能有明显的促进作用,当Nd的掺杂量为3 wt%时,表现出最优的光催化降解效果。采用XRD、SEM、UV-vis漫反射等分析方法对Nd/TiO₂薄膜进行表征分析,探讨光催化机理。结果表明:适量掺杂金属Nd能够细化TiO₂薄膜晶粒,得到分布致密均匀的锐钛矿型TiO₂薄膜;同时使TiO₂薄膜的拉曼和紫外可漫反射峰位红移,薄膜的禁带宽度从原来的3.15 eV减小到2.77 ev,促进了对紫外光的吸收,拓宽了TiO₂薄膜的光响应范围,增强了TiO₂薄膜的光催化活性。     

B,N-SnO2/TiO2光催化剂的制备及其光催化性能研究

为了提高TiO₂在可见光下的光催化活性, 采用聚合物前驱体法制备了B,N共掺杂的SnO₂/TiO₂(B,N-SnO₂/TiO₂)粉体型光催化剂. 进一步为了提高光催化剂的实用性, 通过浸渍-裂解法制备了氧化铝纤维毡负载的B,N-SnO₂/TiO₂光催化剂. 利用X射线衍射仪、场发射扫描电子显微镜、场发射透射电子显微镜、X射线光电子能谱、比表面积分析仪、紫外-可见分光光度计等对其进行了表征. 以氧氟沙星水溶液为模拟污染物, 考察了B,N-SnO₂/TiO₂粉体型光催化剂和负载型光催化剂的可见光催化活性及稳定性. 结果表明, 该粉体型光催化剂在可见光下光照15 min, 对氧氟沙星的降解率可达98.3%. 负载型光催化剂也表现出了良好的光催化性能及可重复性和稳定性, 在21次重复使用后光催化性能几乎不发生变化.     

TiO2上原子分散的Fe位点促进光催化CO2还原:增强的催化活性、DFT计算和机制洞察(英文)

光催化CO₂高效、环保地转化为高附加值化工产品(CH₄, CO, CH₃OH等),能够有效降低环境污染并且促进资源利用.商用P25(TiO₂)因其具有无毒、化学稳定性和强氧化还原电位而被广泛研究.然而, TiO₂的带隙高达3.0 e V,只有在紫外光激发下才能产生光生载流子,这极大地限制了其在光催化领域的应用.单原子催化剂(SACs)具有金属原子利用率高、选择性高和活性高等优点,可用于精细化工合成、氧还原和污染物降解等催化领域.由于单个原子具有极高的表面自由能,因此如何稳定地保持原子分散,避免原子团聚成为SACs制备和反应过程中的一大挑战.本文通过简单的负压封装后热解方法实现了Fe在TiO₂表面的原子级分散负载,所制备的Fe SA/TiO₂催化剂展现出高效的光催化CO₂还原性能,并且利用多种表征手段及理论计算研究了TiO₂表面Fe位点促进CO₂高效转化的反应机制.扫描透...     

Surface treatment of silicon carbide using TiO2(IV) photocatalyst

Silicon carbide (SiC) and diamond were decomposed to CO(2)(g) by the photocatalysis with TiO(2) at room temperature, although the decomposition rate of diamond was very slow. According to the XPS spectra of Si2p on the SiC surface, SiO(2) was simultaneously formed on the surface by the TiO(2) photocatalysis. The thickness of the SiO(2) formed on the SiC surface during the photocatalytic oxidation for 1 h was estimated to be about 40 A from the depth profile of the XPS spectra using Ar etching. The SiC surface was oxidized by the TiO(2) photocatalysis even under the condition without a direct contact with the TiO(2). This indicates that the photocatalytic oxidation of the SiC occurs due to active oxygen species photogenerated on the TiO(2) surface, but not by hole produced in the valence band of the TiO(2). Moreover, a remote surface treatment system using the quartz beads coated with TiO(2) was developed for the SiC surface oxidation. Consequently, the TiO(2) photocatalysis will be very useful for the surface treatment of SiC such as photopatterning without defects and damage to the substrate because the photocatalytic reaction is carried out under mild conditions.     

空气电极改性TiO2光催化剂的研究

将TiO2/C光催化剂负载在具有合成H2O2性能的空气电极上形成双功能新型复合电极.TiO2/C光催化层的微多孔特性使新型载体保持了高效合成H2O2的优势,J=15mA/cm2时,电流效率达到82%.新型载体又为TiO2/C光催化剂获得了阳极偏压,有利于将光生电子迅速导入载体,减少了光生载流子的复合.在新型光催化体系中,光化学氧化作用与光催化氧化作用有机地统一在同一电极/溶液界面附近,造成了该界面的强氧化环境,从而使有机分子的氧化降解速度得到显著提高.     

表面相结结构在促进光催化电荷分离中的应用

二十世纪八十年代以来,特别是近十年,光催化研究在利用可再生能源太阳能的道路上飞速发展。越来越多的研究表明,相结结构的构筑是有效提高半导体光催化剂性能的重要策略。其中, TiO2作为重要的模型光催化剂,其相关研究成果呈现出指数增长的趋势。本综述围绕TiO2模型光催化剂,主要介绍TiO2表面相结的研究成果,包括TiO2表面相的表征、锐钛矿：金红石TiO2相结用于光催化产氢研究、TiO2相结在光催化中作用的最新认识等。在表征方面,通过表面灵敏的紫外拉曼光谱研究了TiO2相变过程中表面相结构的变化,结合可见拉曼以及XRD表征揭示了TiO2独特的相变过程,即相变始于锐钛矿粒子的界面处,小粒子逐渐团聚为大粒子,致其相变从大粒子体相开始最终扩展到整个粒子。使用CO, CO2探针红外光谱,根据锐钛矿和金红石表面吸附物种的差异,进一步证实了锐钛矿：金红石表面相结结构,为紫外拉曼光谱的表面表征特性提供坚实证据。同时,利用发光光谱观察到锐钛矿晶相的可见发光带和金红石晶相的近红外发光带,并基于此给出了TiO2材料表面相结结构的荧光表征新方法。此外荧光光谱还提供了锐钛矿、金红石相中载流子动力学信息,揭示了束缚态在光催化中的作用。在光催化应用方面,观察到混相结构TiO2较单独锐钛矿及金红石相具有更高的光催化产氢活性,通过在较大金红石颗粒上担载纳米锐钛矿粒子,证明了相结结构在提高光催化活性中的核心作用,并首次提出了锐钛矿：金红石表面异相结结构概念,推断其对电荷分离的促进作用是最终提高反应活性的原因。之后将此概念应用到改善商品TiO2(P25)光催化活性中,通过可控热处理精细调控P25的表面相结构,在光催化重整生物质衍生物产氢实验中,成功将P25光催化产氢活性提高3?5倍。之后发展了新的TiO2表面控制方法,通过加入Na2SO4等相变控制剂,延缓了TiO2从锐钛矿向金红石的相变过程,在较高温度下实现TiO2相结结构的调控,最终可将P25光催化重整甲醇制氢的活性提高6倍,同时通过高分辨电镜清晰观察到锐钛矿：金红石相结的原子层生长接触。在相结作用机理方面,多种时间分辨光谱技术以及理论计算被用作探索锐钛矿：金红石相结处的电子转移机理。通过时间分辨红外光谱对TiO2表面相结结构作用的研究,特别是利用锐钛矿、金红石不同的瞬态吸收光谱特征,证明了锐钛矿：金红石相结处的载流子转移过程,存在锐钛矿向金红石的电子转移过程。模型光催化剂TiO2相结的研究成果,加深了对光催化机理的认识,促进新型高效光催化体系的设计合成。     

TiO2光催化反应及其在废水处理中的应用

TiO₂ 多相光催化能利用太阳能有效降解多种对环境有害的污染物, 使有害物质矿化为CO₂、H₂O 及其它无机小分子物质。本文综述了TiO₂光催化的机理, 提高光催化能力的途径, 多种具有代表性污染物的光催化降解处理方法,以及目前尚存在的一些问题,扼要介绍了近年来TiO₂光催化反应及其在废水处理中应用的研究进展及应用前景。     

二氧化钛纳米管阵列的制备、改性及应用

二氧化钛因其在光催化、染料敏化太阳电池、生物医药等应用领域表现出优异性能而成为材料科学领域重点研究的化合物之一。本文介绍了近年来阳极氧化法制备不同形貌的TiO2纳米管(TiO2NTs)阵列,探讨了电解液、阳极氧化时间、电压三个因素对TiO2纳米管形貌的影响,综述了掺杂、复合、表面修饰这三种能对TiO2纳米管进行化学或物理修饰的改性手段以及改性后的TiO2纳米管阵列在光催化、太阳能电池、生物医学、传感等领域的应用研究进展。最后,指出国内外针对二氧化钛纳米管阵列研究现状所存在的问题,并对今后的研究工作提出了展望。     

超声波-二氧化钛光催化耦合法降解高效氯氰菊酯

采用超声波-TiO2光催化耦合法降解高效氯氰菊酯,考察了高效氯氰菊酯初始浓度、降解时间、溶液pH、催化剂用量等对高效氯氰菊酯农药残留的降解效果,并利用水果进行了实物模拟.结果表明:利用超声波-TiO2光催化耦合法能够有效地降解高效氯氰菊酯农药残留.在弱酸环境中,当纳米TiO2投放量为1.2g/L时,经2h超声催化降解,不同浓度的高效氯氰菊酯农药稀释液均被有效降解,降解率最高可达98.3%.     

一种新型纳米TiO2涂膜及其光催化性能的研究

随着工业的发展及人类对环境保护的认识不足等原因 ,使人类赖以生存的环境受到严重的污染[1 ,2 ] .尤其是人类本来就非常短缺的水资源的污染 ,已引起有关部门、环保工作者及研究工作者的高度重视 .他们采用各种方法防止和控制水资源的继续污染及对污水的处理 .污水处理通常可分为三种类型 :即分离处理、稀释处理和转化处理 .前二种处理方法不能改变污染物的化学性质 ,使污染物得不到彻底分离 ,有时还产生二次污染等问题 .转化处理是通过化学方法和生化方法改变污染物的化学性质 ,使其转化成无害物质 .随着环保技术的发展 ,转化处理日益受到…     

Unconventional titania photocatalysis: direct deployment of carboxylic acids in alkylations and annulations

Under dry, anaerobic conditions, TiO(2) photocatalysis of carboxylic acid precursors resulted in carbon-carbon bond-forming processes. High yields of dimers were obtained from TiO(2) treatment of carboxylic acids alone. On inclusion of electron-deficient alkenes, efficient alkylations were achieved with methoxymethyl and phenoxymethyl radicals. In reactions with maleic anhydride or maleimides, phenoxyacetic acid produced chromenedione derivatives in addition to adducts. These photocatalytic reactions are simple and cheap to perform, and the TiO(2) is easily removed by filtration. The anaerobic photocatalysis strategy offers a range of synthetic possibilities.     

Stepwise Photocatalytic Dissociation of Methanol and Water on TiO(2)(110)

We have investigated the photocatalysis of partially deuterated methanol (CD(3)OH) and H(2)O on TiO(2)(110) at 400 nm using a newly developed photocatalysis apparatus in combination with theoretical calculations. Photocatalyzed products, CD(2)O on Ti(5c) sites, and H and D atoms on bridge-bonded oxygen (BBO) sites from CD(3)OH have been clearly detected, while no evidence of H(2)O photocatalysis was found. The experimental results show that dissociation of CD(3)OH on TiO(2)(110) occurs in a stepwise manner in which the O-H dissociation proceeds first and is then followed by C-D dissociation. Theoretical calculations indicate that the high reverse barrier to C-D recombination and the facile desorption of CD(2)O make photocatalytic methanol dissociation on TiO(2)(110) proceed efficiently. Theoretical results also reveal that the reverse reactions, i.e, O-H recombination after H(2)O photocatalytic dissociation on TiO(2)(110), may occur easily, thus inhibiting efficient photocatalytic water splitting.     

Gold nanoparticles located at the interface of anatase/rutile TiO2 particles as active plasmonic photocatalysts for aerobic oxidation

Visible-light irradiation (λ > 450 nm) of gold nanoparticles loaded on a mixture of anatase/rutile TiO(2) particles (Degussa, P25) promotes efficient aerobic oxidation at room temperature. The photocatalytic activity critically depends on the catalyst architecture: Au particles with <5 nm diameter located at the interface of anatase/rutile TiO(2) particles behave as the active sites for reaction. This photocatalysis is promoted via plasmon activation of the Au particles by visible light followed by consecutive electron transfer in the Au/rutile/anatase contact site. The activated Au particles transfer their conduction electrons to rutile and then to adjacent anatase TiO(2). This catalyzes the oxidation of substrates by the positively charged Au particles along with reduction of O(2) by the conduction band electrons on the surface of anatase TiO(2). This plasmonic photocatalysis is successfully promoted by sunlight exposure and enables efficient and selective aerobic oxidation of alcohols at ambient temperature.