MoS_2/TiO_2复合催化剂的制备及其在紫外光下的光催化制氢活性

为了研究复合光催化剂在光催化中的制氢效率,采用水热法制备了Mo S2纳米片,然后通过水热法在Mo S2纳米片上负载了TiO_2纳米颗粒,形成了Mo S2/TiO_2异质结复合催化剂。采用冷场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)、透射电子显微镜(TEM)、X射线衍射(XRD)、紫外-可见吸收光谱(UV-Vis)、拉曼光谱(Raman),X射线光电子能谱(XPS)对材料的结构和光学性能表征并进行分析。通过光催化制氢测试对光催化剂进行评价,实验结果表明,在波长为365 nm的紫外光照射下,最高光催化制氢速率为1004μmol·h-1·g-1,对应的催化剂的Mo S2含量为30%,其催化速率远大于单一的Mo S2和TiO_2,表明Mo S2/TiO_2复合催化剂在紫外光照下能显著提高光催化产氢性能。基于Mo S2/TiO_2复合光催化剂优越的光催化产氢性能,本文对复合光催化剂的产氢机理做了研究和分析。     

TiO_2纳米管电极上电化学还原CO_2生成CH_3OH

采用原位阳极氧化-煅烧法制备TiO_2纳米管(TiO_2NTs)电极,运用X射线衍射(XRD)、电场发射扫描电子显微镜(FESEM)、X射线光电子能谱(XPS)、双电位阶跃测试等对制备电极进行表征,考察了其在0.1mol?L~(-1) KHCO_3水溶液中电化学还原CO_2的催化活性。结果表明TiO_2NTs电极上电化学还原CO_2的主产物为CH_3OH,CH_3OH由HCOOH和HCHO进一步还原而来。电极制备的最佳煅烧温度为450℃(TiO_2NTs-450),电解电位-0.56 V(vs RHE(可逆氢电极))时反应120 min后,生成CH_3OH的法拉第效率和分电流密度分别为85.8%和0.2 m A?cm~(-2)。与550和650℃煅烧的电极相比,TiO_2NTs-450电极具有更高的催化活性,归因于电极表面更多的三价钛活性位,有利于CO_2吸附,从而对·CO_2-起到稳定的作用,速率控制步骤转变为·CO_2-的质子化反应。     

TiO2/BiVO4, a Heterojuncted Microfiber with Enhanced Photocatalytic Performance for Methylene Blue under Visible Light Irradiation

Novel TiO₂/BiVO₄ microfiber heterojunctions were constructed using cotton as biomorphic templates. The as-synthesized samples were characterized by scanning electron microscope, X-ray diffraction, X-ray photoelectron spectroscopy, UV-Vis diffuse reflectance spectra and photocatalytic experiment. The morphology of the as-synthesized TiO₂/BiVO₄ composites was consisted of a large quantity of microfiber structures with diameter from 2.5 μm to 5 μm, and the surface of samples became more coarse and compact with the increase of weight ratio of TiO₂. The TiO₂/BiVO₄ samples with proper content (10.00wt%) showed the highest pho-tocatalytic degradation activity for methylene blue (MB) degradation among all the samples under visible light, and 88.58%MB could be degraded within 150 min. The enhancement of photocatalytic activity was mainly attributed to the formation of n-n heterojunction at the contact interface of TiO₂ and BiVO₄, which not only narrowed the band gap of BiVO₄ for extending the absorption range of visible light, but also promoted the transfer of charge carriers across interface. A possible photodegradation mechanism of MB in the presence of TiO₂/BiVO₄ microfibrous photocatalyst was proposed.     

Novel Bi2MoO6 Nanosheets/Vertical TiO2 Nanorods Arrays Heterojunction with Enhanced Photoelectrochemical Performance under Visible Light Irradiation

Novel Bi₂MoO₆/TiO₂ heterojunction was fabricated by growing Bi₂MoO₆ nanosheets arrays on the vertically aligned TiO₂ nanorods arrays via a two-step solvothermal method. The obtained Bi₂MoO₆/TiO₂ hierarchical heterojunction showed excellent visible light photoelectrochemical performance. Compared with the pure TiO₂ and Bi₂MoO₆, the photocurrent density of the heterojunction was increased 57 and 29 times, respectively. Furthermore, the hydrogen generation rate of the Bi₂MoO₆/TiO₂ for photoelectrocatalytic water-splitting was about 6 times higher than that of the pure Bi₂MoO₆. The improved performance can be attributed to the synergistic effects of enhanced absorption of visible light, increase of migration rate and separation efficiency of photo-induced carriers.     

多种纳米结构Fe掺杂TiO2光热耦合水分解制氢研究

氧空位是材料缺陷工程的重要组成. 基于光生氧空位的直接热利用, 实现纯水分解制氢的光热耦合实验, 被认为是太阳能综合利用的有效途径. 以多种制备方法合成的TiO₂纳米材料为基础, 研究了多种形貌纳米TiO₂及其Fe掺杂改性材料的光热耦合反应能力. 通过高分辨透射电子显微镜(HRTEM)、 X射线衍射(XRD)和电子顺磁共振(EPR)对晶体特征进行表征, 利用漫反射光谱(DRS)、 光致发光(PL)和三电极测试法表征了材料的性能, 并结合密度泛函理论(DFT)计算了产氢反应路径. 研究结果表明, 溶胶-凝胶法制备的纳米颗粒相比水热法制备的纳米片及纳米线, 体相内缺陷较多, 载流子强度高, 光热耦合产氢效果较差. Fe掺杂改性扩展了光响应, 增强了载流子分离和寿命, 降低了电子传输阻抗, 利于光反应过程中光生氧空位的形成, 克服了制氢反应中的关键能垒. 同时, 纳米材料中的缺陷促进了Fe离子的有效掺杂, Fe掺杂TiO₂纳米颗粒的光热耦合平均产氢量为9.73 μmol/g, 性能提升达13倍.     

TiO2晶面依赖的Ir-TiOx相互作用对Ir/TiO2催化剂巴豆醛选择性加氢性能的影响

α,β-不饱和醇是一类重要的精细化学品,主要通过α,β-不饱和醛选择性加氢获得.由于α,β-不饱和醛分子中含有共轭的C=C键和C=O键,且后者键能更大,在热力学和动力学上均不利于C=O键的选择性加氢生成α,β-不饱和醇.因此,提高α,β-不饱和醛中C=O的加氢选择性是催化领域中一项挑战性的课题.巴豆醛属于典型的α,β-不饱和醛,研究其选择性加氢生成巴豆醇具有广泛的代表意义;Ir负载在具有还原性载体(如TiO2)上时,表现出很好的C=O加氢选择性,因此,成为近年来的研究热点.由于暴露不同晶面的TiO2具有不同的形貌和电子结构,因此研究Ir-TiO2相互作用的晶面依赖性及其对巴豆醛选择性加氢反应的影响具有重要意义.本文以分别暴露{101}、{100}和{001}晶面的锐钛矿TiO2纳米晶为载体,制备了负载型Ir/TiO2催化剂,系统研究了催化剂经过不同的预处理过程(在不同温度下H2还原和O2再氧化)后对巴豆醛的气相选择性加氢的性能.利用高分辨透射电镜、原位X射线光电子能谱和原位漫反射红外光谱及氨程序升温脱附等技术研究发现,预处理条件显著改变了Ir-TiOx的相互作用,包括Ir金属的几何、电子性质及催化剂表面酸性.这种相互作用与TiO2的暴露晶面密切相关,从而改变了不同Ir/TiO2催化剂上不同加氢反应行为.研究结果表明,经300℃预还原的Ir/TiO2-{101}催化剂催化性能最好,在80℃下初始反应速率为166.1 μmol g-Ir-1 s-1,巴豆醇的生成转化频率为0.022 s-1.与其他催化剂相比,Ir/TiO2-{101}催化剂表面Ir0浓度最高,表面酸度适中,因此表现出最佳的催化性能.同时Ir-TiOx界面在反应中的协同作用,对H2和巴豆醛分子中C=O键的吸附和活化起到了关键作用.然而当催化剂经过400℃的H2预还原后,由于产生了强的金属-载体相互作用使得TiOx对Ir粒子进行了包裹从而导致Ir-TiOx界面缺失,因而催化剂催化巴豆醛加氢性能降低.本文为理解金属-载体相互作用对巴豆醛选择性加氢反应的影响提供了新的见解,并为设计高性能α,β-不饱和醛选择性加氢催化剂提供了理论依据.     

Cr2O3/C@TiO2核壳型复合材料的设计合成及其光催化产氢性能

随着社会经济的快速发展,能源危机和环境污染问题成为世界各国关注的焦点.通过光催化剂将太阳能用于污染物降解、分解水产氢、CO2还原及有机物合成等领域,是解决上述问题的理想途径.过渡金属氧化物TiO2因其稳定性高、催化活性好、制备简单等优点,被认为是最理想的光催化材料.然而,TiO2带隙较宽、光响应范围窄、光量子效率低等缺点限制了其实际应用.将碳或Cr2O3与TiO2结合形成复合结构已被证明可以有效提升其光催化性能.另一方面,金属离子的掺杂可以有效提高氧化钛的可见光响应.本文利用具有高比表面积的金属有机骨架材料MIL-101(Cr)纳米材料作为模板、镉源和碳源,首先在MIL-101(Cr)表面可控生长TiO2纳米颗粒,获得MIL-101(Cr)@TiO2复合结构;然后在氮气保护下碳化形成Cr2O3/C@TiO2核壳型复合材料.碳化后,制备的复合材料具有模板的八面体形貌和高比表面积,MIL-101(Cr)中的Cr元素一部分会形成Cr2O3,一部分会掺杂到TiO2中,使得TiO2的吸收边红移.此外,Cr2O3/C@TiO2中的C有利于光的吸收和载流子的分离.这种独特的纳米结构赋予Cr2O3/C@TiO2复合材料优异的光催化性能.在300 W氙灯照射下,该复合材料光解水产氢的速率为446μmol h?1 g?1,约为纯TiO2的4倍.在可见光照射下,Cr2O3/C@TiO2分解水产氢的速率为25.5μmol h?1 g?1.将获得的粉体催化剂制备成光电极发现,Cr2O3/C@TiO2在全幅光照射下的光电流密度在0.4 V(vs.Ag/AgCl)下达到2.3 mA/cm2,约为纯TiO2的3.5倍.Cr2O3/C@TiO2光催化产氢活性的提高一方面是由于Cr掺杂到TiO2中使得其具有可见光响应,另一方面MIL-101碳化获得的Cr2O3/C有效促进了光生载流子的分离.     

Reactive TiO2 Nanoparticles Compatibilized PLLA/PBSU Blends:Fully Biodegradable Polymer Composites with Improved Physical,Antibacterial and Degradable Properties

The fully biodegradable polymer blends remain challenges for the application due to their undesirable comprehensive performance.Herein,remarkable combination of superior mechanical performance,bacterial resistance,and controllable degradability is realized in the biodegradable poly(L-lactide)/poly(butylene succinate) (PLLA/PBSU) blends by stabilizing the epoxide group modified titanium dioxide nanoparticles (m-TiO2) at the PLLA-PBSU interface through reactive blending.The m-TiO2 can not only act as interfacial compatibilizer but also play the role of photodegradation catalyst:on the one hand,binary grafted nanoparticles were in situ formed and stabilized at the interface to enhance the compatibility between polymer phases.As a consequence,the mechanical properties of the blend,such as the elongation at break,notched impact strength and tensile yield strength,were simultaneously improved.On the other hand,antibacterial and photocatalytic degradation performance of the composite films was synergistically improved,it was found that the m-TiO2 incorporated PLLA/PBSU films exhibit more effective antibacterial activity than the neat PLLA/PBSU films.Moreover,the analysis of photodegradable properties revealed that that m-TiO2 nanoparticles could act as a photocatalyst to accelerate the photodegradation rate of polymers.This study paves a new strategy to fabricate advanced PLLA/PBSU blend materials with excellent mechanical performance,antibacterial and photocatalytic degradation performance,which enables the potential utilization of fully degradable polymers.     

TiO2纳米层(110)表面对DNA强吸附的第一性原理研究

纳米二氧化钛(TiO₂)由于具有卓越的生物相容性和优异的物理性能,因此有望在生物医学领域中发挥重要的作用,且应用前景广阔.利用第一性原理计算,深入地研究了金红石型TiO₂纳米层(110)表面与脱氧核糖核酸(DNA)不同碱基在界面之间的吸附性能及相互作用的原子机制.通过分析结合能和功函数的计算结果发现,TiO₂纳米层(110)表面对DNA碱基的吸附强度显著增强,比典型二维纳米材料的吸附强度大两倍以上.进而,通过研究电子能带结构和态密度计算结果,阐明了二者在界面之间的吸附机制,其起源于吸附体系显著降低的能级和C、N和/或O的2p轨道与费米能级附近Ti原子的3d轨道的强烈杂化.纳米TiO₂为DNA传感器和测序仪的设计提供了一种极具潜力的候选材料.     

Pd增强缺陷态TiO2纳米管阵列的光催化产氢性能

通过光还原沉积法, 利用氧空位诱导作用, 在Ni掺杂的缺陷态TiO₂纳米管阵列(TNT-Ni)上得到金属 Pd含量不同的Pd-TNT-Ni催化剂. 采用场发射扫描电子显微镜(SEM)、 X射线光电子能谱(XPS)、 紫外-可见 漫反射(UV-Vis DRS)、 表面光电压(SPV)、 光致发光光谱(PL)和电化学测试等表征手段, 探究了Pd与Ni掺杂的缺陷态TiO₂纳米管阵列之间的强相互作用对其光吸收特性和载流子分离及传输效率的影响, 阐明了强相互 作用对材料光催化活性的调控机理, 提出了Pd增强Pd-TNT-Ni光催化性能的作用机理. 结果表明, 通过光还 原法制备的Pd纳米颗粒尺寸为10~20 nm的Pd₁₂₀-TNT-Ni样品的光响应值为4.22 mA/cm², 是未负载Pd样品光 响应值(1.14 mA/cm²)的3.7倍, 其具有最佳的平均产氢速率(5.16 mmol·g^?1·h^?1), 是TNT样品平均产氢速率 (0.45 mmol·g^?1·h^?1)的12倍, 表明Pd与缺陷态TiO₂纳米管阵列之间的强相互作用驱动了载流子的分离及传输, 且Pd作为电子捕获势阱及反应活性位点, 显著提高了材料的光催化性能.