高光催化活性的磷氧桥连TiO2/g-C3N4纳米复合体的合成

石墨型氮化碳(g-C3N4)是一种新型非金属聚合物半导体材料,具有合理的能带结构、较好的稳定性及卓越的表面性质,因而受到了人们的广泛关注.目前,它作为光催化剂在降解污染物、光催化分解水产氢和光催化还原CO2方面正呈现出巨大的应用潜力.然而,g-C3N4可见光响应范围窄、比表面积较小、尤其是光生载流子易复合等缺陷制约着其光催化活性的进一步提高.针对以上问题,人们对g-C3N4进行了大量的改性研究,其中构建能级匹配的纳米半导体/g-C3N4异质结复合体是常用的有效改善g-C3N4光生电荷分离进而提高其光催化活性的手段.但现有相关文献往往忽略了复合体界面接触情况对光生电荷转移和分离的影响,从而在一定程度上影响对光催化性能的改善.本课题组前期工作表明,通过磷氧、硅氧功能桥的建立可加强TiO2/Fe2O3,ZnO/BiVO4纳米复合物的界面接触,从而促进光生电荷的迁移和分离,进而进一步提高纳米复合体的光催化活性.这样,通过构建磷氧桥有望改善TiO2和g-C3N4的紧密连接,以促进光生电子由g-C3N4向TiO2的迁移、改善光生载流子的分离,进而更加显著地提高g-C3N4的光催化活性.但是相关工作至今尚未见到报道.为此,本文通过简单的湿化学法成功地合成了磷氧(P–O)桥连的TiO2/g-C3N4纳米复合体,并研究了P–O功能桥对TiO2/g-C3N4纳米复合体光生电荷分离及其对光催化降解污染物及还原CO2活性的影响.结果表明,g-C3N4与适量的纳米TiO2复合,尤其是g-C3N4与适量P–O桥连TiO2的复合可进一步提高g-C3N4的光催化活性.基于气氛调控的表面光电压谱和光致发光谱等的分析,P-O桥连可促使g-C3N4的光生电子由g-C3N4向TiO2转移,极大地促进了g-C3N4的光生电荷分离,因而使纳米复合体光催化活性大幅提高,其光催化降解2,4-DCP及还原CO2活性均为g-C3N4的3倍.此外,自由基捕获实验表明,·OH作为空穴调控的直接中间产物,其对2,4-DCP的降解起主导作用.     

ZnO纳米棒阵列在TiO2介孔薄膜上的生长及其表征

通过低温水热法成功地将ZnO纳米棒阵列定向生长在了介孔锐钛矿TiO2纳米晶薄膜上,并主要利用X射线衍射、场发射扫描电子显微镜和光致发光光谱等对其进行了表征。所制备的纳米棒具有六边形的端面,纳米棒的尺寸及端面边长分布范围窄,并且沿c轴方向(002)表现出了明显的择优化生长。此外,相比于玻璃基底或TiO2纳米颗粒薄膜,生长在介孔TiO2薄膜上的ZnO纳米棒阵列表现出了较好的取向生长,表明基底的表面结构和组成对ZnO纳米棒阵列的生长有显著的影响。根据基底有序的多孔结构,讨论了纳米棒阵列可能的生长机理。所得到的ZnO纳米棒阵列在室温下分别表现出了以370 nm为中心的强近紫外光和以530 nm为中心的弱绿光两条荧光谱带。     

类微乳化学沉淀法合成BiOBr-TiO2纳米复合材料及其光催化性能

采用简单的类微乳化学沉淀法获得了有效复合的BiOBr-TiO2纳米材料.该合成方法的关键在于Br-的双重作用.Br-既作为"桥"将十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)中CTA+与TiO2粒子相连,构筑了稳定的油包水的类微乳体系.同时,它又作为BiOBr的溴源有助于纳米复合材料异质结的形成.与纯TiO2和传统的水相化学沉淀法获得的BiOBr-TiO2复合样品相比,采用类微乳化学沉淀法获得的复合光催化剂表现出高的光生电荷分离效率,相应地显示出优异的光催化降解气相乙醛和液相苯酚的性能,这主要与BiOBr和TiO2粒子之间异质结的有效构筑有关.     

Eu2O3修饰对纳米TiO2热稳定性及光催化活性的影响

通过浸渍过程实现了Eu2O3对溶胶水热法合成的锐钛矿相TiO2纳米粒子的表面修饰改性.重点研究了表面修饰对纳米锐钛矿相热稳定性及光催化活性的影响.结果表明,Eu2O3表面修饰抑制了锐钛矿相向金红石相的转变,相变温度由550℃左右升高到700℃左右,提高了纳米锐钛矿相TiO2的热稳定性,这与Eu2O3修饰在表面而阻碍了锐钛矿纳米粒子的直接接触有关.与未修饰的TiO2相比,经过700℃高温热处理的Eu2O3修饰的TiO2样品表现出了较高的光催化活性,这与其结晶度提高而有利于光生电荷分离有关.     

纳米Au/TiO2光催化剂的XPS和SPS研究

 以溶胶-凝胶法制备的TiO2纳米粒子为载体,通过浸渍法制备了Au/TiO2样品,并利用XPS和SPS等技术对样品进行表征,考察了热处理温度和Au含量对TiO2纳米粒子光催化氧化苯酚活性的影响. 结果表明,Au是以金属纳米微晶的形式均匀地分散在TiO2纳米粒子表面. 用适量Au进行表面修饰不仅拓宽了TiO2对光的响应范围,而且改善了TiO2光生电子和空穴的分离效率,提高了样品对氧物种的吸附,并促进了光生电子向吸附氧的传输. 在光催化氧化苯酚反应中,500 ℃处理的Au/TiO2纳米粒子具有较高的光催化活性,这与XPS和SPS表征结果是一致的. 从电子能级匹配的角度揭示了Au对TiO2样品表面光电性质和光催化性能的影响机制.     

ZnO和TiO2粒子的光催化活性及其失活与再生

 利用XRD，TEM，BET和UV－Vis等测试技术对商品的ZnO及TiO2和纳米ZnO及TiO2粒子进行了表征．无论是商品的还是纳米的，在光催化氧化降解气相n－C7H16和SO2及液相苯酚的反应中，TiO2均表现出比ZnO高的光催化活性，并从光腐蚀性和表面电荷两方面分析了其原因．在光催化氧化降解n－C7H16的反应中，ZnO粒子易失活，而TiO2粒子不易失活．但是，在光催化氧化降解SO2的反应中，ZnO和TiO2粒子均易失活．SPS和XPS测试结果表明，光催化剂表面的导电类型由反应前的n型变成了失活后的p型．这主要是由于反应产物发生吸附所致．失活后的光催化剂可以通过浸洗和干燥再生．     

掺杂镧的TiO2纳米粒子的光致发光及其光催化性能

采用溶胶-凝胶法制备了纯的和掺杂La的TiO2纳米粒子,并利用XRD,TEM,XPS和荧光光谱(FS)等对样品进行表征,主要考察焙烧温度和La含量对TiO2纳米粒子的性质以及光催化降解苯酚活性的影响,并探讨了La的掺杂对TiO2相变的作用机制以及FS光谱与光催化活性的关系.结果表明,适量La掺杂能够提高TiO2纳米粒子FS光谱强度,这是因为La掺杂能够使表面氧空位和缺陷的浓度增加;600℃热处理的掺杂不同量La的TiO2样品的光催化活性顺序是:1%＞1.5%＞3%＞0.5%＞5%＞0%,这与它们的FS光谱强度的顺序是一致的,即FS光谱强度越高,其光催化活性越高.这是因为在光致发光过程中,FS信号主要来源于表面氧空位和缺陷,而在光催化反应过程中,表面氧空位和缺陷能够有利于光生电子被捕获.     

掺杂Cu的TiO2纳米粒子的制备、表征及其光催化活性

采用Sol-gel法制备了纯的和掺杂不同量Cu的TiO2纳米粒子,并用TG-DTA,XRD,XPS,UV-Vis和荧光光谱对样品进行了表征,考察焙烧温度和Cu含量对TiO2纳米粒子的性质及光催化活性的影响,初步探讨了Cu的掺杂对TiO2相变的作用机制及样品荧光光谱与光催化活性的关系.结果表明,Cu2+的掺杂对TiO2的相变有很大的促进作用,并使其光谱响应范围向可见光区拓展.Cu的掺杂未引起新的荧光现象,但适量Cu的掺杂能够降低TiO2纳米粒子的荧光强度.此外,在光催化降解苯酚的实验中,于500℃处理的掺杂Cu的TiO2纳米粒子的光催化活性较高,与表征结果一致.而掺杂不同量Cu的TiO2的光催化活性顺序与样品荧光光谱强度的顺序相反,即荧光光谱强度越低,其光催化活性越高.     

ZnO和TiO2纳米粒子的光致发光性能及其与光催化活性的关系

采用沉淀法和溶胶-凝胶法制备了ZnO和TiO2及掺Zn2+的TiO2纳米粒子,用XRD和荧光光谱(FS)等手段对样品进行了表征,重点探讨了样品光致发光机制及与光催化活性的关系.结果表明,ZnO和TiO2样品在大于带隙能的光激发下均表现出明显的FS信号,热处理温度升高,FS信号强度下降,并且二者的FS信号类似,这可能与二者具有类似的电子能带结构有关,同时也说明FS信号主要源于表面氧空位以及吸附氧物种等引起的激子或表面态能级.掺杂Zn2+使TiO2纳米粒子FS信号增强,这主要与表面氧空位和缺陷等量增加有关;此外,在光催化氧化苯酚实验中,样品光催化活性与其FS信号强度顺序一致,即FS信号越强,活性越高.这是由于在光致发光过程中,FS信号主要源于表面氧空位,而在光催化反应中,表面氧空位有利于氧化反应进行.     

ZnO纳米粒子的表面光电压谱和光催化性能

采用焙烧前驱物碱式碳酸锌的方法制备了不同粒径的ZnO纳米粒子，而用粒径 最小的作为光催化剂，通过光还原过程分别得了贵金属质量分数为0.5%和0.75%的 Pd/ZnO或Ag/ZnO复合纳米粒子。利用XRD，TEM，XPS，SPS和EFISPS等测试技术对样 品进行了表征，并通过光催化氧化气相正庚烷评估了样品的光催化活性，考察了微 晶尺寸和贵金属Pd或Ag的沉积对ZnO纳米粒子表面光电压信号以及光催化活性的影 响，探讨了样品表面光电压谱与其光催化活性的关系，说明了可以通过表面光电压 谱的测试来初步地评估纳米粒子的光催化活性。结果表明：随着ZnO纳米微晶尺寸 的减小，其SPS信号强度逐渐变弱，而光催化活性逐渐升高；沉积适量的贵金属Pd 或Ag后，ZnO纳米粒子的SPS信号强度明显下降，而其光催化活性却有所升高。此外 ，对ZnO纳米粒子光催化剂的失活机理进行了分析。