一维TiO2锐钛矿/金红石异相结的制备及光催化降解甲醛性能

TiO₂异相结主要通过高温方法制备,所制备材料的形貌和组成较难控制,尤其是在较低温度下一步制备一维TiO₂异相结仍具有一定的挑战性。采用简单、方便的一步水热法,在较低温度下(180℃)制备了一维纳米TiO₂异相结材料。X射线衍射(XRD)和高分辨透射电镜(HRTEM)分析表明,制备的材料以一维金红石相TiO₂纳米棒(长度:(400±50)nm,直径:(60±5)nm)为基本结构,粒径分布均匀的锐钛矿相TiO₂纳米粒子(直径:(9.5±0.5)nm)高密度、单分散地负载在纳米棒上。通过控制水热反应时间成功调控了异相结中锐钛矿相TiO₂的含量(20%~50%),进而实现了其光催化降解HCHO性能的调控。实验结果表明,当锐钛矿相TiO₂的含量为33%时(TiO₂-24,水热时间24 h制备的样品),异相结光催化剂表现出最佳的HCHO降解性能:在低光强LED灯(波长为365 nm,光强为12.26 mW·cm^-2)照射下,浓度约为120 mg·L^-1的HCHO气体在25 min后的降解率达到了92%,实现了高效、快速地去除空气中的HCHO(矿化为CO₂)。稳态荧光光谱和光电化学测试表明,与其他水热时间的样品相比,TiO₂-24具有更高效的光生电荷分离和传输效率。一维TiO₂异相结不仅有利于光生电荷的传输,而且对电荷的分离具有定向驱动作用,使其具有较高的光催化降解HCHO性能。     

K1.9Na0.1Ta2O6·2H2O的形貌可控合成及光催化性能

钽酸盐光催化材料往往具有较高的光催化活性.近年报道的钽酸盐光催化剂主要采用传统高温固相法制备,该方法不可避免地导致高温烧结,使合成的钽酸盐颗粒较大,比表面积较小,而且该方法具有不可克服的晶体转变、结晶度差、分解、挥发和纯度低等缺点,使制备的光催化剂活性较低.而纳米材料由于粒径小,提高了电子和空穴的扩散速度,大大降低了电子和空穴在材料内的复合几率,从而使光催化材料活性大幅提高.此外,粒径减小也使表面原子迅速增多,减小了光的漫反射,同时也使光吸收不易达到饱和,有利于提高光吸收效率.因此,制备纳米材料是提高半导体光催化剂活性的有效手段.目前,采用湿化学的溶液合成方法能在较低温度下获得粒度小且均匀、计量比准确的光催化剂粉末,但是合成钽酸盐光催化剂的水溶性钽前体即乙醇钽(或氯化钽)价格昂贵,而且对潮湿极端敏感易水解,使产物纯度降低,不适合工业化生产.近年来,尽管有文献报道以Ta2O5为原料利用水热、溶胶-凝胶和共沉淀等方法制备钽酸盐,但其合成条件苛刻,合成步骤复杂,合成周期较长,耗能大,产物产量较低且不均匀,很难实现产物的形貌控制来筛选出适合光催化反应的材料.目前关于纳米钽酸盐光催化材料形貌控制方面的研究鲜有报道,主要是由于Ta2O5极难溶解,很难实现液相合成.因此,纳米钽酸盐光催化材料的可控制备是研究的难点.我们发展了熔盐-水热制备钽酸盐新方法,实现了K1.9Na0.1Ta2O6·2H2O的可控制备.利用熔盐法制备一种可溶性钽酸盐前驱体,再通过水热法在液相进一步反应制得纳米钽酸盐光催化材料K1.9Na0.1Ta2O6·2H2O,通过控制反应条件实现了纳米钽酸盐K1.9Na0.1Ta2O6·2H2O的形貌调控,得到了纳米球、微球、去顶八面体形貌和类似榴莲形貌等不同形貌,而利用其它制备方法很难控制钽酸盐的形貌.另外,研究了制备材料吸附和光催化降解罗丹明B的性能,发现该材料光催化活性与形貌直接相关.表征结果表明,制备样品的X射线衍射(XRD)谱图尖锐,结晶较好,其各衍射峰位置均与K2Ta2O6一致,为纯相烧绿石结构,属于立方晶系,空间群为Fd3m.通过分析合成材料的元素组成及含量,确定K：Na：Ta比例近似为1.9：0.1：2.为了进一步研究属于烧绿石型化合物K1.9Na0.1Ta2O6·2H2O的结构,对不同形貌材料进行了红外光谱测试,所有样品在450–1000 cm–1的谱峰可归属于(K, Na)–O和Ta–O键的振动,3300 cm–1左右为晶体结构中水的羟基伸缩振动峰,1720 cm–1左右是晶体结构中水的弯曲振动峰.可以看出,不同形貌材料的红外谱图吸收带宽度和位置十分相似,只存在小的偏移和变化,进一步表明不同形貌的材料具有相似的晶体结构,与XRD结果一致.差热-热重分析确定了结构中所含结晶水数量近似为2.光催化性能测试结果表明,具有纳米球形貌的材料比表面积较大,因而光催化活性最高.     

Ni-CH_3CH_2NH_2/H_(1.78)Sr_(0.78)Bi_(0.22)Nb_2O_7复合层状钙钛矿的合成及光催化分解水产氢性能(英文)

自从分解水产氢被首次报道以来,许多光催化剂被开发出来并用于光催化分解水产氢.然而,由于光生电子和空穴的复合率普遍较高,大部分的光催化剂分解水产氢效率都很低.因此,开发新型高效的光催化材料至关重要.具有(Bi_2O_2)~(2+)(A_(m-1)M_mO_(3m+1))~(2-)通式的Aurivillius相层状钙钛矿材料因具有独特的层状结构、元素可调性以及优异的电荷传输和分离能力而广泛应用于光催化分解水和去除有机污染物.此外,当该类层状钙钛矿被剥离成超薄纳米片时,其光催化性能进一步提高.为了进一步提高层状钙钛矿的载流子分离能力,将客体(如贵金属,半导体等)通过化学反应的途径插入到层状钙钛矿的层间区域,从而合成出复合层状钙钛矿被广泛发展和应用.然而,引入的客体主要是贵金属和半导体,这类客体的高成本和不均匀分布制约了其进一步的应用.由于廉价、无毒和稳定等优点,镍基材料如Ni,NiO,Ni_2O_3,NiS,NiS_2,Ni(OH)2和Ni(OH)x等被广泛用作增强电极材料的光电性能和催化剂的光催化分解水产氢性能的助催化剂.本文采用简单的原位化学反应法制备出镍基配合物Ni-CH_3CH_2NH_2(Ni-EA)插层的Ni-CH_3CH_2NH_2/H_(1.78)Sr_(0.78)Bi_(0.22)Nb_2O_7(Ni-EA/HSNNs)复合层状钙钛矿;然后采用X-射线衍射(XRD)、傅立叶变换红外光谱(FTIR)、X-射线光电子能谱(XPS)、紫外-可见漫反射光谱等手段对Ni-EA/HSNNs光催化剂进行了系统的研究.XRD结果表明,引入Ni~(2+)后,HSNNs层间距减小并且平行于钙钛矿层的晶面结晶度增强,证明HSNNs沿垂直于钙钛矿层的方向出现了层层组装.FTIR和XPS结果表明,引入的Ni~(2+)与HSNNs层间和表面的乙胺分子之间存在较强的相互作用,结合高分辨透射电镜图可知,Ni的存在形态可能为配合物Ni-EA.由此可见,当向HSNNs中引入Ni~(2+)时,Ni~(2+)和HSNNs层间和表面的乙胺分子反应生成带正电的配合物Ni-EA,由于Ni-EA与HSNNs的钙钛矿层带有异种电荷,两者之间存在较强的静电相互作用力,从而引起钙钛矿纳米片HSNNs的层层组装,最后形成Ni-EA/HSNNs复合层状钙钛矿.光催化分解水产氢性能测试结果表明,当引入0.5 wt%Ni时,复合层状钙钛矿表现出最优的光催化性能.与HSNNs(241.58μmol/h)相比,0.5%Ni-EA/HSNNs的光催化分解水产氢速率(372.67μmol/h)提高了0.54倍,表现出与0.5%Pt/HSNNs可比拟的光催化活性,可见,非贵金属Ni具有替代贵金属Pt的能力.进一步的研究表明,镍基配合物Ni-EA显著增强了催化剂的光生载流子的传输和分离能力,从而提高了其光催化分解水产氢性能.该文为光催化分解水产氢提供了一种简便的合成非贵金属配合物助催化剂的方法.