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。     

碳和钇共掺杂对混相TiO2光催化性能的影响

TiO2因其毒性低、稳定性高、制备成本低廉而获得广泛应用,特别是作为光催化剂在降解环境污染物方面受到了广泛关注;然而,纯TiO2较大的光生载流子复合率和较宽的带隙限制了其应用.元素掺杂作为一种拓宽光催化剂光吸收能力的方法广泛应用于各种光催化剂的修饰改性,而两种具有光催化性能的TiO2相共存则能有效抑制光生载流子的复合,因此采取合适的方法有效利用这两种TiO2改性的方法制备得到更具实际应用潜质的光催化剂具有一定的可行性.本文通过简单的溶胶-凝胶过程向锐钛矿相与金红石相组成的混相TiO2中共掺杂碳和钇得到了一种活性较高的可见光响应光催化剂.采用粉末X射线衍射、拉曼光谱、X射线光电子能谱和透射电镜等表征手段研究了碳和钇掺杂对TiO2结构的影响,发现碳掺杂有利于金红石相的形成且材料具有更大的晶粒尺寸,钇掺杂则有利于锐钛矿相的形成且能细化材料的晶粒尺寸,提高材料的比表面积,导致材料更好的光催化活性.材料在30 W荧光灯光照条件下的光催化降解亚甲基蓝(MB)性能的研究显示,C-Y-TiO2样品具有比单掺杂和未掺杂样品更高的光催化活性,其顺序为C-Y-TiO2>Y-TiO2>C-TiO2>TiO2≈P25.此外,降解反应动力学研究表明C-Y-TiO2样品光降解MB的速率是未掺杂样品在相同条件下降解速率的3.5倍.不同钇掺杂含量样品的结构和光催化降解MB的研究结果表明,钇掺杂显著促进了锐钛矿相TiO2的形成.这说明钇可能仅掺杂进入锐钛矿相,因此合适的钇掺杂量才能有效形成最优化的光催化性能的混相TiO2.不同热处理温度下获得的样品的光降解MB特性也表明,一定的热处理温度有利于合适的锐钛矿相和金红石相的组成,从而有利于相间的协同效应.紫外-可见光谱和荧光光谱表征分析表明,碳和钇的掺杂都拓展了其吸收光谱到可见光区域,且抑制了光生电子和空穴对的复合,进而提高了材料的光催化活性.碳和钇共掺杂的混相TiO2具有较高可见光光催化活性的主要原因有两个方面:一是元素掺杂减小了TiO2的带隙使得材料具有可见光响应;二是金属和非金属元素在锐钛矿相与金红石相TiO2中不同的掺杂特性形成的协同效应,抑制了光生电子和空穴的复合.     

硝酸根接枝诱导组装金红石相TiO2纳米束以增强光催化产氢（英文）

化石燃料的快速消耗加速了全球能源危机和环境污染等问题.光催化产氢直接利用清洁和可持续的太阳能实现向化学燃料的转化,因而成为一种有前景的技术.众多半导体光催化剂中,二氧化钛因其高光催化活性、稳定的化学性质、低成本和无毒等优势而被广泛用作分解水产氢的光催化剂.最近,金红石相TiO2纳米晶体在某些情况下被证明具有光催化的潜力,然而其光生电子-空穴对的快速复合显著抑制了光催化效率.表面修饰、构建异质结和负载助催化剂等策略被用来提高光生载流子的分离效率以减少复合损失,从而提升光催化活性.由于光催化反应通常发生在光催化剂的表面活性位点上,因此通过改善表面性质改变电荷转移途径对光催化活性具有重要影响.磷酸、硫酸、硼酸和盐酸等无机酸的修饰可以改变光催化剂的表面基团,分别通过促进表面羟基的形成和氧气的吸附以及改变表面电荷性质更有效地捕获空穴,实现光生电子和空穴的分离,有助于光催化降解有机污染物.然而,这种影响机制显然不适用于光催化产氢体系,目前对无机酸修饰用于分解水产氢的研究鲜有报道.因此,通过酸改性策略制备高效产氢的光催化剂仍然是一个相当大的挑战.本文利用硝酸诱导策略合成纺锤状金红石相二氧化钛纳米束(R-TiO2).首先,制备层状质子化钛酸盐(LPT)作为TiO2的前体,随后,加入浓硝酸以诱导向金红石相TiO2的转变,并组装形成纺锤状纳米束.对照实验显示,硝酸的酸化可以诱导LPT向金红石相TiO2的转变,而相同条件下浓硝酸后处理不会引起晶相的转变.纺锤形纳米束的形成源于,硝酸诱导R-TiO2沿(110)方向生长并彼此粘附,硝酸诱导组装过程成功在TiO2表面修饰上硝酸根,同时扩大了光吸收范围,有效减少了电荷复合损失.光催化产氢测试证明了R-TiO2光催化剂具有高效的产氢性能,产氢速率为402.4μmol h-1,是Degussa P25的3.1倍,并且显著高于未经浓硝酸处理的锐钛矿(52.0μmol h^-1)或金红石相(110.8μmol h^-1)光催化剂.为了说明表面硝酸根的影响,分别从晶体和化学结构、形态以及表面电荷性质方面比较了光催化反应前后的变化,结果表明,R-TiO2增强的光催化效率可归因于硝酸根基团的负场效应,有利于在表面上捕获带正电的质子以促进载流子分离,提高光催化产氢的效率.总之,本工作不仅对于发展表面修饰策略制备高效产氢光催化剂的研究具有重要意义,而且提出了一种不同于文献报道的无机酸影响机制.     

锐钛矿/金红石TiO_2相结界面电荷分离的时间分辨发光光谱研究（英文）

"结"的构筑,被证实是提高电荷分离效率的重要策略,在太阳电池、光催化等领域有广泛应用.跟踪研究异质结、异相结处的电荷转移动力学,可深入认识结的作用,进一步指导新材料、新结构的设计合成.锐钛矿/金红石Ti O_2异相结,可大大提高Ti O_2光催化重整生物质制氢的产氢性能.锐钛矿/金红石异相结处的电荷分离、复合等动力学行为还亟需进一步深入研究,我们使用时间分辨发光光谱技术,重点研究了锐钛矿和金红石界面处的电荷转移过程及其对电荷复合过程的影响机制.我们制备了一系列具有不同晶相组成的Ti O_2催化剂,使用XRD和表面灵敏的紫外拉曼光谱表征确定了样品的表面和体相组成,研究其光致发光性质并与其晶相组成相关联.发现,Ti O_2的发光行为与其晶相结构直接相关,特别是与其表面晶相结构存在密切关系.其中,500 nm的可见发光带与锐钛矿晶相相关,而835 nm的近红外发光带与金红石晶相相关.分析可见发光带强度随Ti O_2晶相组成的变化,发现Ti O_2粒子中存在少量金红石成分时,可见发光带强度不仅未猝灭,反而有一个明显的增强效应,同时,近红外发光峰的出现也存在一定的延后现象.这些结果表明锐钛矿/金红石异相结处存在金红石向锐钛矿的电荷转移过程.进一步,使用时间分辨发光光谱研究可见发光带和近红外发光带的衰减动力学,从而分析揭示锐钛矿/金红石相结对锐钛矿和金红石的载流子动力学的影响机制.对于可见发光带来说,锐钛矿/金红石异相结的存在使可见发光带的衰减速率在微秒时间尺度减慢,而在毫秒时间尺度反而衰减变快.在金红石为主要晶相的混相氧化钛中(如Ti O_2-800),还观测到了一个新的约0.43ms的快衰减成分,表明锐钛矿向金红石的载流子转移过程.对于近红外发光带来说,与可见发光带类似,在微秒时间尺度的衰减也明显变慢,寿命可增长一倍以上,而在毫秒时间尺度的衰减速率没有明显变化.特别是,在锐钛矿/金红石异相结存在条件下,除长于40ms的微秒衰减成分外,基本所有混相Ti O_2样品都显示出~2ms的快衰减成分,且此快衰减成分的比例受样品晶相组成、制备方法等影响,可达到22%左右.这一快衰减成分的出现,证明了锐钛矿/金红石异相结处存在金红石向锐钛矿的载流子转移过程.我们通过发光光谱技术研究了锐钛矿/金红石异相结在电荷分离复合过程中的作用.研究发现,锐钛矿/金红石相结存在条件下,可见和近红外发光带都出现了一个新的快衰减成分,证明相结处存在快速的电荷分离过程.由于相结促进电荷分离,在微秒时间尺度抑制了电荷复合,从而使发光衰减明显变慢.而在毫秒时间尺度,电荷复合速率并没有抑制效果.因此,我们提出锐钛矿/金红石相结对光催化活性的促进作用,主要是因为微秒时间尺度促进电荷的有效分离,从而使微秒时间尺度存在更大量的光生电荷参与光催化过程.     

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.     

基于表面优先型相变过程构建TiO_2(B)/锐钛矿异相结纳米纤维及其光催化性能（英文）

近年来,随着光催化研究的逐渐深入,人们发现有效的电荷分离往往是提高半导体光催化材料活性的关键步骤.其中,在多晶相半导体材料中构建异相结结构是提高其活性的最有效途径之一.在TiO_2四种稳定晶相中,Ti O2(B)是发现最晚且研究较少的,并且目前对它的研究主要集中于锂离子电池方面,而在光催化领域中研究较少.然而,该材料特殊的晶相结构带来的各向异性和较大的比表面积都表明其在光催化领域同样具有潜在应用前景.本文通过三步合成法,包括水热过程、离子交换、退火过程,研究了TiO_2(B)向锐钛矿转变的相变过程,同时构建了具有TiO_2(B)/锐钛矿异相结结构的纳米线.在材料退火过程中,通过X射线衍射(XRD)和表面灵敏的紫外拉曼光谱(UV-Raman)分别监测了样品体相和表面相的晶相结构变化过程.发现了XRD与UV-Raman结果的不同步性.同时,通过对样品扫描电镜和透射电镜的形貌表征可知,TiO_2(B)纳米线在退火过程中部分结构发生坍塌,且逐渐转化成锐钛矿相,而相变过程很可能首先发生在坍塌结构处.高分辨电镜结果表明,纳米线中同时存在着TiO_2(B)结构和锐钛矿结构,并形成很好的异相结.根据相结构变化和形貌观察结果,我们推测TiO_2(B)向锐钛矿转变过程为表面优先型的相变过程,即材料表面相先于体相先发生相变过程,由此得到的材料表面相含有较多的锐钛矿,而体相中含有较多的TiO_2(B).为了验证构建的异相结材料的光催化活性,采用光催化产氢和降解污染物双重反应对样品进行了表征.结果发现,单独的TiO_2(B)材料活性较锐钛矿材料相差较多,但其混相结构能较大幅度地提高光催化活性.其中,通过逐渐退火过程形成的体相为24%的TiO_2(B)、表面为100%的锐钛矿相的催化剂活性最高,其产氢活性可达4.82 mmol/(h?g),降解污染物反应速率常数为0.0402 min~(-1).采用光电流测试、电化学阻抗和荧光光谱表征了材料在光催化过程中的载流子动力学行为.结果表明,最优活性的催化剂中体相的异相结结构对光生电荷的分离、传输都起到良好地促进作用,而表面的锐钛矿相主要负责高活性的表面反应,二者共同对高活性的光催化反应起到推动作用.     

纳米TiO2光催化剂的酸催化水解合成与表征

以TiCl4为钛源,采用酸催化水解法控制TiCl4水解速度,合成了纳米TiO2光催化剂。以苯酚的光催化降解为模型反应,考察了酸催化剂种类、水解温度、煅烧温度对TiO2光催化活性的影响。采用X射线衍射(XRD)、紫外-可见漫反射(DRS)、扫描电镜(SEM)、低温氮物理吸附,分析了TiO2光催化剂的晶相结构、光谱特征以及表面形貌。结果表明,以HCl为催化剂、水解温度98℃、煅烧温度500℃下制得TiO2活性最高。最佳条件下合成的TiO2前驱体为无定型结构,400℃煅烧时几乎完全转化为锐钛矿相,800℃时完全转化为金红石相。随着煅烧温度升高,TiO2光吸收阈值红移,TiO2粒子尺寸增大,比表面积下降,光催化活性降低。     

SnO2-TiO2复合光催化剂的制备和性能

采用均匀沉淀法在超细TiO2表面包覆SnO2,制备出SnO2-TiO2复合光催化剂,并用EDS,XRD,TEM和BET比表面积测定等手段进行了表征.以活性艳红X-3B溶液为模拟废水,考察了SnO2-TiO2的光催化活性.结果表明,复合粒子由锐钛矿型TiO2和金红石型SnO2组成;与纯TiO2相比,SnO2-TiO2的光催化活性有较大提高,SnO2最佳包覆量为18.4%.复合光催化剂活性的提高归因于不同能级半导体之间光生载流子的输运和分离.     

TiO2纳米粒子包覆聚苯乙烯球的结晶性能与表面光电压特性

TiO2具有很高的光催化活性，同时TiO2纳米粒子具有耐酸碱和耐光化学腐蚀、低成本、无毒等性质，在许多领域引起广泛关注．据报道，TiO2的锐钛矿晶型比金红石晶型具有更好的光催化活性．由于金红石是TiO2的热力学稳定相，而锐钛矿是亚稳相，通常锐钛矿相在550-800℃温度范围内形成金红石相，从而降低其催化活性，限制了其应用．     

过渡金属掺杂和碳纳米管（CNT）接枝双重改性TiO2光催化剂

提出了一种过渡金属掺杂和碳纳米管(CNT)双重改性TiO2的新方法:首先采用溶胶-凝胶法合成掺杂镍和铁的二氧化钛基催化剂,然后采用流化床化学气相沉积方法(FBCVD)在二氧化钛基催化剂表面接枝生长CNT,得到CNT/Fe-Ni/TiO2复合光催化剂.通过X射线衍射、扫描电子显微镜、比表面分析、拉曼光谱、紫外-可见吸收光谱、荧光光谱等方法考察了双重改性复合光催化剂CNT/Fe-Ni/TiO2的结构和性能,通过降解亚甲基蓝溶液评价了双重改性复合光催化剂的活性.结果表明,在TiO2表面接枝的CNT具有较好的石墨化结构,CNT生长过程中小部分TiO2由锐钛矿向金红石晶型转变.过渡金属和CNT双重改性有效地克服了TiO2的比表面积小、量子效率低等缺点,明显提高了TiO2的光催化活性.     

TiO2/蒙脱石纳米复合物中TiO2的结构相变

以钛酸丁酯和季铵盐改性有机蒙脱石为原料,采用原位水解法和原位脱羟法制备了TiO2/蒙脱石纳米复合物。采用X射线衍射(XRD)、拉曼光谱(Raman)表征了不同焙烧温度下TiO2/蒙脱石纳米复合物中TiO2的结构相变,并与不同焙烧温度下纯TiO2的结构相变进行对比。结果发现TiO2/蒙脱石纳米复合物中TiO2从锐钛矿相开始转变为金红石的最低温度要比纯TiO2从锐钛矿开始相转变为金红石的最低温度高200℃,且在焙烧温度1 200℃时还存在锐钛矿相,而纯TiO2在焙烧温度800℃时就全部转换为金红石相。TiO2/蒙脱石纳米复合物中TiO2和纯TiO2的平均晶粒度都随焙烧温度升高而增大,但TiO2/蒙脱石纳米复合物中TiO2的平均晶粒度要小于相同温度下焙烧纯TiO2的平均晶粒度。表明蒙脱石结构层的硅氧结构抑制了TiO2晶型由锐钛矿相向金红石相的转变,进而使相变温度升高,同时阻碍了晶体的生长。     

钕掺杂对纳米TiO2光催化分解水制氢活性的影响

 采用溶胶-凝胶法制备了一系列纳米TiO2和掺杂Nd3+ 的纳米TiO2光催化剂,并通过XRD, UV-Vis, TEM和N2吸附等技术对其进行了表征和分析,考察了样品光催化分解水制氢的活性. 结果表明, Nd3+的掺杂使TiO2的相变温度从600 ℃提高到800 ℃, 同时有效抑制了TiO2的粒径增长,提高了粒子的分散性和样品的比表面积, Nd3+掺杂量越大,催化剂的比表面积越大. 掺杂Nd3+ 后, TiO2的光催化制氢活性提高,本实验中Nd3+的最佳掺杂量为0.1%, 此时催化剂的活性比未掺杂TiO2提高了3.5倍. 随着焙烧温度升高, TiO2和Nd3+/TiO2样品的光催化活性均下降,但同时一定量的金红石相与锐钛矿相共存所产生的协同效应也使样品的光催化活性有所提高.     

微乳法合成纳米SiO2/TiO2及其光催化性能

采用聚乙二醇辛基苯基醚(Triton X-100)/正己醇/环己烷/氨水微乳体系合成了纳米TiO2和SiO2/TiO2复合物,用X射线衍射、红外光谱和透射电镜对其结构进行了表征,并以甲基橙降解评价了其光催化性能,讨论了SiO2/TiO2摩尔比、晶相组成及粒径与光催化活性的关系.结果表明,SiO2/TiO2催化剂中形成了新的Ti-O-Si键和无定形SiO2;在纳米TiO2中复合SiO2能有效抑制锐钛矿向金红石的转变,增加锐钛矿的稳定性,并阻止TiO2晶粒的聚集生长.催化剂的光催化活性随金红石含量的增加而降低,加入适量SiO2能明显提高TiO2的光催化活性,其中摩尔比为1/7的SiO2/TiO2光催化活性最高.     

具有多通道载流子分离功能的 ZnO/P25异质结构光催化氧化甲苯

甲苯是一种最常见的室内有毒挥发性有机物(VOCs),目前消除方法主要有吸附、催化燃烧和光催化氧化,其中光催化是一种最高效和经济可行的方法,能在较温和条件下将甲苯完全矿化为 CO2.作为研究最广泛的光催化剂, TiO2在应用中通常有锐钛矿(ATiO2)和金红石(RTiO2)两种物相,但单物相 TiO2的低量子产率和光生电子-空穴对的快速复合严重限制了它的应用.本文选择兼具锐钛矿和金红石两种物相的 P25为催化剂载体,通过负载少量 ZnO和构建多组分并具备多通道载流子分离功能的异质结以提高 TiO2基光催化剂的性能.
　　利用一步浸渍法制备了一系列 ZnO/P25复合光催化剂,考察了其光催化降解气相甲苯性能. X射线粉末衍射结果表明, ZnO/P25异质光催化剂是由 ATiO2, RTiO2和红锌矿三种物相结构组成.高分辨透射电镜结果表明, ZnO/P25具备三相异质结 ZnO(002)/ATiO2(101)/RTiO2(110).紫外可见光谱、荧光光谱和光电流表征结果表明, ZnO/P25所形成的三相异质结不但增强了光吸收能力,还实现了多通道电子/空穴分离.催化降解实验表明, ZnO/P25异质光催化剂能在室温紫外光辐射下将甲苯完全矿化为 CO2和 H2O.基于三相异质结和多通道光生电子-空穴对分离的形成及促进作用, ZnO/P25光催化活性和速率均明显高于 P25.本文报道的多通道载流子分离理念可为高效光催化剂设计和应用提供一种新思路.     

纳米TiO2复合光催化剂的制备及其光解水制氢性能研究

采用溶胶凝胶法分别制备p-MWNTs-TiO2及p-MWNTs/ZnTPP-TiO2复合纳米光催化剂, 并通过热重分析、透射电镜、X射线粉末衍射和紫外-可见漫反射光谱对光催化剂的物理性质进行了表征. 结果表明: 复合光催化剂中碳纳米管热解温度明显提前, TiO2晶化温度延迟, 相变受到抑制, 紫外特征吸收较纯TiO2有明显红移. 对所制备的光催化剂进行光解水产氢性能测试结果表明: 光催化剂的产氢速率维持相对恒定, 有较好的光学稳定性; p-MWNTs和p-MWNTs/ZnTPP对TiO2的掺杂提高了其光催化活性, 光催化剂产氢活性的大小顺序为p-MWNTs/ZnTPP-TiO2＞p-MWNTs-TiO2＞P25＞TiO2.     

具有高光催化活性的黑色TiO2（B）/锐钛矿双晶TiO2-x纳米纤维

高效TiO2基光催化材料的开发一直是催化领域的研究热点,主要的策略是如何有效地分离光生载流子.制备多晶相的TiO2材料可引入异质/相结结构使电子与空穴朝不同方向移动,从而避免电子与空穴复合;另外,在TiO2中掺杂其他金属或非金属也可以有效地降低电子与空穴的复合率,掺杂的元素作为电子捕获阱俘获光生电子,以实现电子空穴的有效分离.近些年,作为一种全新的掺杂剂,氧空穴可以有效改善TiO2的光催化活性,所制TiO2具有可见光的全光谱吸收能力,因此该类TiO2呈现出黑色.通过上述方法均可以制备出高活性TiO2基光催化材料,如果能够将这些方法耦合一起,则可能制备出活性更高的光催化剂.因此,本文将异相结结构和空穴掺杂耦合起来,用多孔钛酸盐衍生物在H2中高温焙烧制得一种全新的黑色TiO2(B)/锐钛矿双晶TiO2–x纳米纤维.不同于其他TiO2基光催化材料,该样品仅由Ti和O元素组成,通过Ti和O元素的组合,形成了双晶结构和空穴掺杂两种特殊的结构,借助场发射(FESEM)、拉曼光谱(Raman)、氮气物理吸脱附、X射线光电子能谱(XPS)、热重(TG)、紫外可见漫反射光谱(UV-Vis)和荧光光谱(PL)等表征分析了样品的结构及其光催化性能间构效关系. FESEM结果显示,黑色TiO2(B)/锐钛矿双晶TiO2–x为长1–5mm、宽0.2mm的纤维结构, Raman结果表明,锐钛矿相在特征波段(140 cm–1左右)和TiO2(B)的特征波段(220–260 cm–1)均发生蓝移,说明该两相中均存在氧空穴;该样表面未检测到Ti3+,因此氧空穴可能分散在TiO2(B)和锐钛矿相的体相中.根据黑色TiO2(B)/锐钛矿双晶TiO2–x和白色TiO2(B)/锐钛矿双晶TiO2的失重差,估算出前者的O/Ti原子比为1.97.光催化降解甲基橙实验结果显示,黑色TiO2(B)/锐钛矿双晶TiO2–x的光催化活性是白色双晶TiO2的4.2倍,锐钛矿TiO2的10.5倍,且连续反应10次后未出现失活现象,显示出了良好的光催化稳定性.前期,我们已经证明了白色TiO2(B)/锐钛矿双晶TiO2由于具有TiO2(B)和锐钛矿的异相结结构,致使其电子空穴有效地分离,从而表现出优异的光催化活性;本文的PL结果显示,由于氧空穴的引入,异相结与氧空穴两者共同作用,进一步促进了黑色TiO2(B)/锐钛矿双晶TiO2–x电子与空穴的有效分离,因此黑色TiO2(B)/锐钛矿双晶TiO2–x表现出高的光催化活性.由于其特殊的结构,黑色TiO2(B)/锐钛矿双晶TiO2–x纳米纤维将在环境与能源领域表现出良好的应用前景.     

炭气凝胶孔结构对其负载的TiO2光催化降解甲基橙性能的影响

选用两种孔径不同的炭气凝胶CA125和CA500制备了碳含量为20%的TiO2/CA光催化剂,采用X射线衍射、扫描电镜和N2吸附-脱附对催化剂进行了表征,并考察了其光催化降解甲基橙反应性能.结果表明,TiO2/CA样品中TiO2主要以锐钛矿相存在,伴随有少量的金红石相,且均匀分散于炭气凝胶的表面.催化剂的孔隙率分析表明,孔结构直接影响到催化剂的光催化活性,以中孔为主的TiO2/CA125活性要远高于TiO2/CA500.这主要源于中孔良好的吸附性能及其合适的空间限域效应.     

TiO2纳米粒子制备方法对其光催化活性的影响

分别用胶溶法、金属醇盐水解法和低温水解法制备了TiO2纳米粒子;采用XRD和BET技术,测试了TiO2粒子的粒径、晶型及表面积。以庚烷的气相光催化氧化为探针反应,考察了不同方法、不同温度处理的TiO2粒子的光催化活性。结果表明,以胶溶法和金属醇盐水解法制备的TiO2粒子,随焙烧温度的增加TiO2粒子长大,晶型由锐钛矿向金红石型转变,光催化活性降低。用低温水解法,可在低温下制得金红石型TiO2粒子,但其催化活性很低。说明由原料和制备方法所决定的TiO2粒子的物理化学性质,影响其光催化行为。锐钛矿型TiO2粒子催化活性较金红石型TiO2好。这是由于前者的表面羟基含量较高且带隙能较大的缘故。     

碳和钇共掺杂对混相TiO_2光催化性能的影响（英文）

TiO_2因其毒性低、稳定性高、制备成本低廉而获得广泛应用,特别是作为光催化剂在降解环境污染物方面受到了广泛关注;然而,纯TiO_2较大的光生载流子复合率和较宽的带隙限制了其应用.元素掺杂作为一种拓宽光催化剂光吸收能力的方法广泛应用于各种光催化剂的修饰改性,而两种具有光催化性能的TiO_2相共存则能有效抑制光生载流子的复合,因此采取合适的方法有效利用这两种TiO_2改性的方法制备得到更具实际应用潜质的光催化剂具有一定的可行性.本文通过简单的溶胶-凝胶过程向锐钛矿相与金红石相组成的混相TiO_2中共掺杂碳和钇得到了一种活性较高的可见光响应光催化剂.采用粉末X射线衍射、拉曼光谱、X射线光电子能谱和透射电镜等表征手段研究了碳和钇掺杂对TiO_2结构的影响,发现碳掺杂有利于金红石相的形成且材料具有更大的晶粒尺寸,钇掺杂则有利于锐钛矿相的形成且能细化材料的晶粒尺寸,提高材料的比表面积,导致材料更好的光催化活性.材料在30 W荧光灯光照条件下的光催化降解亚甲基蓝(MB)性能的研究显示,C-Y-TiO_2样品具有比单掺杂和未掺杂样品更高的光催化活性,其顺序为C-Y-TiO_2Y-TiO_2C-TiO_2TiO_2≈P25.此外,降解反应动力学研究表明C-Y-TiO_2样品光降解MB的速率是未掺杂样品在相同条件下降解速率的3.5倍.不同钇掺杂含量样品的结构和光催化降解MB的研究结果表明,钇掺杂显著促进了锐钛矿相TiO_2的形成.这说明钇可能仅掺杂进入锐钛矿相,因此合适的钇掺杂量才能有效形成最优化的光催化性能的混相TiO_2.不同热处理温度下获得的样品的光降解MB特性也表明,一定的热处理温度有利于合适的锐钛矿相和金红石相的组成,从而有利于相间的协同效应.紫外-可见光谱和荧光光谱表征分析表明,碳和钇的掺杂都拓展了其吸收光谱到可见光区域,且抑制了光生电子和空穴对的复合,进而提高了材料的光催化活性.碳和钇共掺杂的混相TiO_2具有较高可见光光催化活性的主要原因有两个方面:一是元素掺杂减小了TiO_2的带隙使得材料具有可见光响应;二是金属和非金属元素在锐钛矿相与金红石相TiO_2中不同的掺杂特性形成的协同效应,抑制了光生电子和空穴的复合.     

Preparation,Characterization and Photo-catalytic Activities of N-TiO2 with Urea as Nitrogen Source

以钛酸丁酯为前驱体,以尿素为氮源,采用溶胶-凝胶法制备了不同N含量的TiO2光催化剂（N-TiO2）.通过X-射线衍射（XRD）、紫外-可见吸收光谱（UV-Vis）、分子荧光光谱（PL）、X-射线光电子能谱（XPS）等检测手段对其结构和物理性能进行了表征.结果表明,N的掺杂能抑制锐钛矿相TiO2向金红石相的转化,能将TiO2的吸收边波长拓宽到可见光区域,能加速光生电子-空穴对的分离,提高光催化活性.在以可见光为光源进行重铬酸钾的光催化还原和苯酚的光催化氧化反应中,9%N-TiO2-500表现出了最强的光催化活性,且在光催化活性的稳定性实验中,表现出良好的光催化活性的稳定性,能多次重复使用.