结晶氮化碳的制备与改性策略

石墨相氮化碳(g-C_3N_4)是最具代表性的二维有机聚合物半导体材料,其具有可见光响应性能、稳定化学结构和优良的生物相容性等优点,在环境和能源领域有非常广阔的应用前景。但是,普通g-C_3N_4材料的热聚合不完全,其体相和表面的缺陷多,因此光生载流子易复合,光催化活性不高。近年来,高活性结晶氮化碳(CCN)的研究得到了国内外学者的广泛关注。本文总结了目前CCN制备及其改性方法:5种代表性制备方法,包括传统熔盐法、预热熔盐法、固态盐法、溶剂法和质子化法;4种代表性CCN的改性方法,包括缺陷引入、形貌控制、单原子修饰和材料复合。文章重点介绍了 CCN制备原理、结构特征与光催化性能。最后,对CCN的制备与改性方法进行了评价,并对其研究方向进行了展望。     

蛋氨酸改性TiO_2空心纳米盒高效可见光催化RhB分解和NO氧化（英文）

由高能面TiO_2纳米片(TiO_2-NSs)组装成的TiO_2空心纳米盒(TiO_2-HNBs)显示出比单独TiO_2-NSs更强的光催化性能,但是TiO_2-HNBs依然属于紫外光催化剂,无法充分利用太阳能.因此,开发具有可见光响应的由高能面TiO_2-NSs组装而成的TiO_2-HNBs具有重要意义.本文将立方体TiOF_2与含有N和S元素的生物分子蛋氨酸混合,通过一步焙烧制备了具有可见光响应活性的N和S元素共掺杂的TiO_2-HNBs(掺杂催化剂标记为TMx,未掺杂催化剂标记为Tx,x代表焙烧温度).由立方体TiOF_2到锐钛矿相TiO_2空心纳米盒的转变是一个自模板转化过程.氟离子的存在降低了TiO_2高能面(001)面的表面能,从而使得高能面TiO_2纳米片的形成变得可能.因此,热处理立方体TiOF2可得到由高能面TiO_2纳米片组装的TiO_2空心纳米盒.本文系统研究了焙烧温度(300.500 oC)对所制TiO_2-HNBs结构与光催化性能的影响.结果发现,在350 ℃下焙烧,TiOF_2完全转化成锐钛矿相TiO_2-HNBs.但是焙烧蛋氨酸与TiOF2的混合物,需400 ℃才能完全实现TiOF_2到锐钛矿相TiO_2-HNBs的转变.这说明蛋氨酸的加入阻碍了TiOF_2向锐钛矿相TiO_2-HNBs的转变.XPS结果显示,经过400℃焙烧的蛋氨酸改性样品(TM400),N和S元素成功掺入了TiO_2-HNBs晶格,使其产生可见光催化活性.相对于400 ℃焙烧TiOF_2所得样品T400,蛋氨酸改性的TM400催化剂可见光降解罗丹明B染料(RhB)和NO氧化的性能分别提升了1.55倍和2.0倍,这与其更强的可见光吸收性能和光生载流子分离效率有关.400 ℃焙烧的蛋氨酸改性的TM400可见光催化活性稳定,连续5次可见光催化RhB降解后,其活性没有明显改变,显示了潜在的应用前景.     

拓扑相变制备具有拓宽可见光响应范围的Ti~(3+)自掺杂3D空盒状TiO_2（英文）

TiO_2广泛用作半导体光催化材料,但由于自身对光利用率低(只吸收紫外光)、禁带宽度较大、光生载流子复合率极高,限制了它在相关领域的应用.为此,设计了Ti~(3+)离子自掺杂来克服TiO_2半导体材料的上述缺点,进而提高其光催化活性.在不引入其他元素的情况下,以TiOF_2为原料,Zn粉为还原剂,在水热条件下采用拓扑相变法原位制备了具有可见光响应的Ti~(3+)自掺杂空盒状TiO_2(记为Ti~(3+)/TiO_2)催化剂材料.掺杂金属离子可以改变半导体TiO_2的结晶度和产生晶格缺陷,形成电子或空穴的捕获中心,影响电子-空穴对的复合;同时,掺杂金属离子产生的晶格缺陷有利于Ti~(3+)和氧空位的形成,有利于提高TiO_2的量子效率.Ti~(3+)掺杂是一种既清洁又未引入其他金属离子的掺杂改性方法,它能有效保持催化剂的结构和形貌不受其他金属离子的影响.总之,金属离子掺杂有效拓展了TiO_2的光吸收范围,并极大地提高了TiO_2的光催化活性.本文研究了不同量的还原剂对催化剂空盒状TiO_2结构形貌影响,以及在可见光下光催化降解罗丹明B反应性能,发现Ti~(3+)/TiO_2催化剂均拥有非常好的光催化活性,其中R0.25催化剂在可见光下120 min,RhB降解率达到96%,是TiO_2的4倍多.且可循环使用5次的光催化循环降解实验后,表现出较高的稳定性.催化剂经过Ti~(3+)自掺杂后,对催化剂自身的空盒状结构形貌并无很大的影响,随着还原剂Zn粉的量增加,Ti~(4+)还原形成Ti~(3+)数量增加,导致形成更多的氧空位.皆为锐钛矿型TiO_2,与未掺杂Ti~(3+)的TiO_2比较发现,自掺杂Ti~(3+)的TiO_2的(105)XRD衍射峰越来越尖锐,(004)衍射峰越来越宽.随着还原剂Zn粉质量的逐渐增加,催化剂的光响应范围拓宽到可见光区,且逐渐增强.这说明Ti~(3+)的掺杂不仅提高了TiO_2在可见光的响应能力,也提高了TiO_2在紫外光范围的响应能力.另外,掺杂后的TiO_2禁带宽度的减小,使其价带上的电子更容易被可见光激发,产生更多的电子-空穴对参与光催化反应,从而提高TiO_2的光催化效率.     

三种不同晶型二氧化钛的制备及光催化性能研究

分别以Ti(SO₄)₂和TiCl₄为原料,通过水热pH值的控制,批量制备了片状的锐钛矿(AT)、棒状的金红石(RT)和菱形的板钛矿型(BT)TiO₂.其中,AT具有最小的晶粒尺寸(约10nm),其次为RT(30—50nm),而BT具有最大的晶粒尺寸(50—70nm).固体漫反射显示出AT、BT和RT对光响应的阀值分别为375nm、385nm和415nm.其中,AT在紫外区显示出最强的光吸收能力.以阴离子活性染料X3B为目标分子的光催化降解实验结果显示,3种催化剂的光活性次序为AT>RT>BT,这与它们对X3B的吸附能力一致.文章对这产生TiO₂光活性差异的原因进行了讨论.     

蛋氨酸改性TiO2空心纳米盒高效可见光催化RhB分解和NO氧化

由高能面 TiO2纳米片 (TiO2-NSs) 组装成的 TiO2空心纳米盒 (TiO2-HNBs)显示出比单独 TiO2-NSs 更强的光催化性能, 但是 TiO2-HNBs 依然属于紫外光催化剂, 无法充分利用太阳能. 因此, 开发具有可见光响应的由高能面 TiO2-NSs 组装而成的 TiO2-HNBs 具有重要意义. 本文将立方体 TiOF2与含有 N 和 S 元素的生物分子蛋氨酸混合, 通过一步焙烧制备了具有可见光响应活性的 N 和 S 元素共掺杂的 TiO2-HNBs(掺杂催化剂标记为 TMx, 未掺杂催化剂标记为 Tx, x 代表焙烧温度).由立方体 TiOF2到锐钛矿相 TiO2空心纳米盒的转变是一个自模板转化过程. 氟离子的存在降低了 TiO2高能面(001)面的表面能, 从而使得高能面 TiO2纳米片的形成变得可能. 因此, 热处理立方体 TiOF2可得到由高能面 TiO2纳米片组装的 TiO2空心纳米盒.本文系统研究了焙烧温度 (300-500 ℃) 对所制 TiO2-HNBs 结构与光催化性能的影响. 结果发现, 在 350 ℃下焙烧, TiOF2完全转化成锐钛矿相 TiO2-HNBs. 但是焙烧蛋氨酸与 TiOF2的混合物, 需 400 ℃才能完全实现 TiOF2到锐钛矿相TiO2-HNBs 的转变. 这说明蛋氨酸的加入阻碍了 TiOF2向锐钛矿相 TiO2-HNBs 的转变. XPS 结果显示, 经过 400 ℃焙烧的蛋氨酸改性样品 (TM400), N 和 S 元素成功掺入了 TiO2-HNBs 晶格, 使其产生可见光催化活性.相对于 400 ℃焙烧 TiOF2所得样品 T400, 蛋氨酸改性的 TM400 催化剂可见光降解罗丹明 B 染料 (RhB) 和 NO 氧化的性能分别提升了 1.55 倍和 2.0 倍, 这与其更强的可见光吸收性能和光生载流子分离效率有关. 400 ℃焙烧的蛋氨酸改性的 TM400 可见光催化活性稳定, 连续 5 次可见光催化 RhB 降解后, 其活性没有明显改变, 显示了潜在的应用前景.     

拓扑相变制备具有拓宽可见光响应范围的Ti3+自掺杂3D空盒状TiO2

TiO2广泛用作半导体光催化材料, 但由于自身对光利用率低(只吸收紫外光)、禁带宽度较大、光生载流子复合率极高, 限制了它在相关领域的应用. 为此, 设计了Ti3+离子自掺杂来克服TiO2半导体材料的上述缺点, 进而提高其光催化活性. 在不引入其他元素的情况下, 以TiOF2为原料, Zn粉为还原剂, 在水热条件下采用拓扑相变法原位制备了具有可见光响应的Ti3+自掺杂空盒状TiO2(记为Ti3+/TiO2)催化剂材料. 掺杂金属离子可以改变半导体TiO2的结晶度和产生晶格缺陷, 形成电子或空穴的捕获中心, 影响电子-空穴对的复合; 同时, 掺杂金属离子产生的晶格缺陷有利于Ti3+和氧空位的形成, 有利于提高TiO2的量子效率. Ti3+掺杂是一种既清洁又未引入其他金属离子的掺杂改性方法, 它能有效保持催化剂的结构和形貌不受其他金属离子的影响. 总之, 金属离子掺杂有效拓展了TiO2的光吸收范围, 并极大地提高了TiO2的光催化活性.本文研究了不同量的还原剂对催化剂空盒状TiO2结构形貌影响, 以及在可见光下光催化降解罗丹明B反应性能, 发现Ti3+/TiO2催化剂均拥有非常好的光催化活性, 其中R0.25催化剂在可见光下120 min, RhB降解率达到96%, 是TiO2的4倍多. 且可循环使用5次的光催化循环降解实验后, 表现出较高的稳定性. 催化剂经过Ti3+自掺杂后, 对催化剂自身的空盒状结构形貌并无很大的影响, 随着还原剂Zn粉的量增加, Ti4+还原形成Ti3+数量增加, 导致形成更多的氧空位. 皆为锐钛矿型TiO2,与未掺杂Ti3+的TiO2比较发现, 自掺杂Ti3+的TiO2的(105)XRD衍射峰越来越尖锐, (004)衍射峰越来越宽. 随着还原剂Zn粉质量的逐渐增加, 催化剂的光响应范围拓宽到可见光区, 且逐渐增强. 这说明Ti3+的掺杂不仅提高了TiO2在可见光的响应能力, 也提高了TiO2在紫外光范围的响应能力. 另外, 掺杂后的TiO2禁带宽度的减小, 使其价带上的电子更容易被可见光激发, 产生更多的电子-空穴对参与光催化反应, 从而提高TiO2的光催化效率.