原位合成稳定的Ti3+自修饰介孔TiO2光催化剂在环境净化中的应用

半导体光催化剂TiO2因具有绿色环保无污染、化学稳定性好及可实现稳定产氢等优点而广泛应用于光解水、废水处理和空气净化等领域.然而,锐钛矿相TiO2禁带宽度约为3.2 eV,仅对紫外光响应.而在太阳光中,44%左右为可见光,紫外光仅占不到4%.为了提高TiO2对太阳光的利用率和在可见光照射下的光催化活性,近年来人们采用掺杂金属/非金属离子以及与可见光催化剂复合等方法对TiO2进行改性.但是这些离子掺杂的方法会不可避免地在TiO2晶格中形成结构缺陷,这些结构缺陷作为光生电子和空穴的复合中心不利于电子和空穴分离.最近研究表明,通过Ti3+自掺杂可以很好提高TiO2可见光催化活性,但是目前制备Ti3+掺杂TiO2的方法较复杂,形成的Ti3+掺杂易在表面积聚而被进一步氧化,影响其光催化稳定性,不利于实际应用.因此,开发具有良好电子-空穴分离效率的可见光催化剂引起了广泛的研究兴趣.本文通过原位自掺杂Ti3+来提高TiO2可见光光催化活性.以TiCl3为钛源, H2O为溶剂, F127为软模板,采用溶剂挥发诱导自组装的方法制备了蠕虫状Ti3+自掺杂的介孔TiO2.采用X射线衍射(XRD)、N2物理吸附、紫外-可见漫反射(UV-vis)、透射电子显微镜和电子顺磁共振(EPR)对所制备样品结构、结晶度和形貌等进行了表征分析.通过控制表面活性剂用量和焙烧温度优化了Ti3+自掺杂介孔TiO2的光催化活性.结果表明,在模拟太阳光照射下,所制样品对气相光催化氧化NO和水相降解有机染料亚甲基蓝表现出优异的催化性能和稳定性. Ti3+自掺杂介孔TiO2有效扩展了催化剂的光吸收范围,提高了光生电子空穴的迁移效率.其优异的光催化活性和稳定性主要归因于掺杂在TiO2骨架中的Ti3+和所合成催化剂多孔性之间的协同效果.固体UV-vis结果表明,所合成的TiO2具有很好的可见光响应,主要归因于在TiO2材料合成过程中,部分Ti3+未被完全氧化, Ti3+掺入可以有效降低TiO2的禁带宽度.通过计算可知合成的TiO2禁带宽度为2.7 eV.通过低温EPR测试进一步证明了Ti3+的存在,而且Ti3+主要掺杂在TiO2体相中. N2物理吸附结果表明,随焙烧温度不断提高,所得产物的比表面积先增加后减少,当焙烧温度在500 oC时,比表面积最大,但至550 oC时,比表面积、孔径和孔体积增大,表明催化剂的孔结构被破坏.表面活性剂F127的用量对样品比表面积和孔径大小也有影响,当其用量为0.54 g时,所得产物的比表面积最大.我们将所合成的TiO2应用于污染气体NO的氧化,考察了焙烧温度和表面活性剂用量对光催化剂性能的影响.结果表明,当表面活性剂用量为0.54 g,焙烧温度为500oC时,所制催化剂在模拟太阳光和可见光照射下都表现出最好的NO去除转化率.将使用过的催化剂离心洗涤后进行连续反应3.5 h,依然保持很高的NO去除转化率.催化剂高活性及稳定性的主要原因是Ti3+的掺杂将TiO2光响应范围拓展到可见光区域,且Ti3+掺杂和介孔结构之间的协同作用有利于促进光生电子和空穴的分离.当催化剂在低于500 oC焙烧时,所得催化剂结晶度较低,不利于光生电子-空穴的分离,而高温焙烧则会导致催化剂介孔结构遭到破坏,不利于NO气体吸附和产物脱附.表面活性剂对催化剂活性影响较小,在可见光照射下催化剂均表现出很好的光催化活性.此外,该Ti3+自掺杂介孔TiO2在液相条件下对有机染料亚甲基蓝也表现出很好的去除效果,可见光照射2 h,亚甲基蓝去除率接近100%.     

Ag担载介孔Pb3Nb2O8光催化剂的制备及其增强的可见光催化活性表征

光催化技术在环境净化方面,尤其是降解有机污染物应用上表现出潜在价值.可见光响应型光催化剂具有优异的光吸收特性和高的光催化活性,因而备受人们关注并被大量研究.Pb3Nb2O8光催化剂由于其自身的稳定性以及对可见光响应的能力是一种潜在的高效光催化材料.但是,有报道表明Pb3Nb2O8光催化剂对可见光降解有机物活性较低,这主要归因于它较小的比表面积以及较高的电子-空穴复合率.为了解决这个问题,本文采用蒸发自组装技术制备了大比表面积的介孔Pb3Nb2O8,采用光沉积方式在介孔Pb3Nb2O8上负载了均匀分散的纳米Ag颗粒,并对不同焙烧温度、载Ag量以及进一步的热处理对光催化活性的影响作了深入研究.XRD结果表明,在400℃和500℃焙烧条件下获得的样品属于Pb3Nb2O8相,600℃焙烧使得介孔Pb3Nb2O8发生相变.氮气吸附-脱附表征表明,升高焙烧温度使样品比表面积从最大69 m2/g(400℃)减小到19 m2/g(600℃).透射电子显微镜分析结果表明,所获得样品具有蠕虫状介孔孔道结构,并且Ag纳米颗粒均匀分散在介孔Pb3Nb2O8表面.紫外-可见吸收光谱表明,介孔Pb3Nb2O8的吸收边拖尾到530-550 nm,担载Ag之后光吸收发生显著变化,光吸收拓展到700 nm.光催化活性测试采用可见光催化氧化脱氢异丙醇气体至丙酮反应.结果表明,在420 nm以上可见光照射下,1 h内的光催化反应过程中,采用高温固态反应制备的Pb3Nb2O8上丙酮生成速率为2.9 ppm/min,而介孔Pb3Nb2O8催化剂上最高可达55.5 ppm/min.介孔Pb3Nb2O8负载Ag之后,400℃焙烧的介孔Pb3Nb2O8光催化活性显著提高,降解速率达120.7 ppm/min.通过介孔Pb3Nb2O8和固相合成Pb3Nb2O8的光催化活性对比发现,大比表面积样品的光催化活性显著提高.这可归结为大的比表面积提供了大量的催化反应活性位点,从而提高了光催化反应活性,此外介孔材料的孔壁结构为纳米结构,有利于光生电子-空穴传输到表面参加反应.担载Ag后介孔Pb3Nb2O8的光催化活性进一步提高,主要是因为助催化剂Ag纳米颗粒促进了光生电子-空穴分离,延长了载流子寿命,从而提高了光催化活性.     

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.     

S掺杂宽光域响应Ti1-xSyO2光催化剂的制备及表征

以TiCl4和硫脲为主要原料, 采用酸催化水解法制得浅黄色S掺杂Ti1-xSyO2光催化剂. 以苯酚为模型物, 考察了Ti1-xSyO2在可见光区、紫外光区及太阳光下的催化活性. 采用XPS、DRS、XRD、FT-IR、SEM、低温氮物理吸附对光催化剂进行表征. 结果表明, 掺杂S以S6+形式置换TiO2晶格中的Ti4+, 适量S 掺杂的Ti1-xSyO2在可见光区、紫外光区及太阳光下均表现出较高的光催化活性.掺杂S 在TiO2表面形成新的能级结构, 使催化剂吸收红移至450-550 nm, 诱发可见光催化活性;紫外光照射下, 新形成的能级结构与体相TiO2形成复合半导体结构, 捕获光生空穴, 提高光生电子鄄空穴分离效率.同时, S掺杂可以改善TiO2的分散性, 增加其比表面积SBET并提高相转变温度.     

Ag担载介孔Pb_3Nb_2O_8光催化剂的制备及其增强的可见光催化活性表征（英文）

光催化技术在环境净化方面,尤其是降解有机污染物应用上表现出潜在价值.可见光响应型光催化剂具有优异的光吸收特性和高的光催化活性,因而备受人们关注并被大量研究.Pb_3Nb_2O_8光催化剂由于其自身的稳定性以及对可见光响应的能力是一种潜在的高效光催化材料.但是,有报道表明Pb_3Nb_2O_8光催化剂对可见光降解有机物活性较低,这主要归因于它较小的比表面积以及较高的电子-空穴复合率.为了解决这个问题,本文采用蒸发自组装技术制备了大比表面积的介孔Pb_3Nb_2O_8,采用光沉积方式在介孔Pb_3Nb_2O_8上负载了均匀分散的纳米Ag颗粒,并对不同焙烧温度、载Ag量以及进一步的热处理对光催化活性的影响作了深入研究.XRD结果表明,在400℃和500℃焙烧条件下获得的样品属于Pb_3Nb_2O_8相,600℃焙烧使得介孔Pb_3Nb_2O_8发生相变.氮气吸附-脱附表征表明,升高焙烧温度使样品比表面积从最大69 m~2/g(400℃)减小到19 m~2/g(600℃).透射电子显微镜分析结果表明,所获得样品具有蠕虫状介孔孔道结构,并且Ag纳米颗粒均匀分散在介孔Pb_3Nb_2O_8表面.紫外-可见吸收光谱表明,介孔Pb_3Nb_2O_8的吸收边拖尾到530-550 nm,担载Ag之后光吸收发生显著变化,光吸收拓展到700 nm.光催化活性测试采用可见光催化氧化脱氢异丙醇气体至丙酮反应.结果表明,在420 nm以上可见光照射下,1 h内的光催化反应过程中,采用高温固态反应制备的Pb_3Nb_2O_8上丙酮生成速率为2.9 ppm/min,而介孔Pb_3Nb_2O_8催化剂上最高可达55.5 ppm/min.介孔Pb_3Nb_2O_8负载Ag之后,400℃焙烧的介孔Pb_3Nb_2O_8光催化活性显著提高,降解速率达120.7 ppm/min.通过介孔Pb_3Nb_2O_8和固相合成Pb_3Nb_2O_8的光催化活性对比发现,大比表面积样品的光催化活性显著提高.这可归结为大的比表面积提供了大量的催化反应活性位点,从而提高了光催化反应活性,此外介孔材料的孔壁结构为纳米结构,有利于光生电子-空穴传输到表面参加反应.担载Ag后介孔Pb_3Nb_2O_8的光催化活性进一步提高,主要是因为助催化剂Ag纳米颗粒促进了光生电子-空穴分离,延长了载流子寿命,从而提高了光催化活性.     

氮自掺杂暴露(001)晶面TiO_2微米片的可见光光催化CO_2还原性能增强（英文）

化石能源的使用可产生大量CO2,带来严重的温室效应.光催化CO2还原生产太阳燃料技术既有望缓解温室效应,又可以将低能量密度的太阳能转化为高能量密度的化学能储存起来方便使用.高效光催化材料的开发是发展光催化技术的关键.迄今,在已开发的所有半导体光催化材料中,Ti O2仍是广泛研究的明星材料.在实际使用中,Ti O2的光催化效率仍受限于其极弱的可见光利用率和较高的电子-空穴复合几率.近年来,越来越多的研究表明Ti O2的结构与形貌特征极大地影响其光催化效率.尤其,Ti O2的外露晶面设计与晶面效应研究引起了广泛关注.由于具有较高表面能和较多表面不饱和键,起初大多数理论和实验研究认为锐钛矿Ti O2(001)晶面是光催化活性晶面.后来,越来越多研究表明并非锐钛矿Ti O2(001)晶面的暴露比例越高其光催化活性就越高.最近,我们发现锐钛矿Ti O2(001)晶面与(101)晶面在调控光催化CO2还原性能上具有良好的协同效应.密度泛函理论计算表明,锐钛矿Ti O2的(001)晶面与(101)晶面的能带结构有差异,(001)晶面的导带位置相对于(101)晶面而言较高,而(101)晶面的价带位置相对于(001)晶面而言较低.基于此我们提出,具有合适比例的锐钛矿Ti O2的(001)晶面与(101)晶面的交界处可以形成最佳的表面异质结或晶面异质结.表面异质结的形成导致光生电子倾向于向(101)扩散,光生空穴倾向于向(001)扩散,从而促进光生电子-空穴分离,降低光生电子-空穴复合几率.在此工作基础上,我们直接以氮化钛为原料,氢氟酸为添加剂,通过简单的水热反应一步合成了氮自掺杂的Ti O2微米片.利用X射线粉末衍射、扫描电镜、X射线光电子能谱、紫外-可见漫反射光谱、氮气吸附-脱附以及电化学阻抗谱等方法手段对所制备的光催化剂进行了基本结构与理化性质表征分析,并研究了其可见光光催化CO2还原性能.电镜照片结果表明,我们所制备的氮自掺杂锐钛矿Ti O2微米片的(001)晶面与(101)晶面比例分别为65%和35%.基于我们前期研究结果,Ti O2微米片的(001)晶面与(101)晶面可以形成表面异质结,具有良好的电荷分离效率,这也得到了电化学阻抗谱研究结果的证明.同时,由于N的原位掺杂,所制备的Ti O2微米片具有优异的可见光捕获能力.由于可见光利用效率增强与光生电子-空穴分离效率提高这两方面的综合作用,所制备的氮自掺杂Ti O2微米片具有非常好的可见光光催化CO2还原制甲醇性能,比商用P25及氮掺杂Ti O2纳米粒子等参考样品的可见光光催化性能更优异.研究表明,通过原位自掺杂方法与晶面设计方法相结合,可以同时改善Ti O2的可见光利用效率和光生电子-空穴分离效率,优化Ti O2的可见光光催化性能,这也为后续开发新型高效光催化材料提供了新思路.     

有序介孔三氧化二铟/还原氧化石墨烯纳米复合材料的制备及可见光催化性能

以有序介孔三氧化二铟(m-In2O3)和还原氧化石墨烯(RGO)为原料,采用紫外光照射法合成了介孔三氧化二铟/还原氧化石墨烯(m-In2O3-RGO)复合光催化剂.利用N2吸附-脱附、X射线衍射(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、漫反射吸收光谱(DRS)和光电流测试等手段对样品进行表征.在可见光照射下,以对氯苯酚(4-CP)为目标污染物,考察了m-In2O3-RGO光催化剂的催化性能.结果表明,m-In2O3-RGO光催化剂具有完整的晶型和规则的孔道结构,有利于光生电子和空穴的分离.同时,作为固态电子受体与传输体的RGO促进了光生电子-空穴对的传输和分离,有效提高了可见光催化性能.掺杂2%(质量分数)RGO的复合光催化剂性能最佳,4 h可将4-CP降解96%以上,催化剂经多次循环使用后,其光催化活性基本保持不变.     

焙烧温度对 MnO2-CeO2/Zr0.25Ti0. 25Al0. 5O1.75 整体式催化剂 NH3 低温选择性催化还原 NO 性能的影响

 采用等体积浸渍法在不同温度下焙烧制备了一系列 MnO2-CeO2/Zr0.25Ti0.25Al0.5O1.75 整体式催化剂样品, 并用低温 N2 吸附-脱附、储氧量、X 射线衍射、X 射线光电子能谱和 NH3 程序升温脱附等对催化剂进行了表征, 考察了催化剂上 NH3 选择性催化还原 (SCR) NO 的活性. 结果表明, 随着焙烧温度的升高, 催化剂的比表面积和孔体积逐渐减小, 平均孔径逐渐增大, 储氧能力逐渐降低. 在 500~700 oC 焙烧时, 催化剂主要以无定形或微晶的形式存在; 在 500 oC 焙烧时, 催化剂表面 Mn 与载体之间的相互作用较强, 表面酸量最高, 有利于提高 SCR 活性. 尽管在 600 和 700 oC 焙烧的催化剂仍具有较高的 SCR 活性, 且表现出一定的抗 H2O 和 SO2 性能, 但活性有所下降. 800 oC 焙烧后催化剂的活性显著降低.     

Ag_2O-TiO_2/海泡石复合光催化剂制备及其可见光光催化性能（英文）

传统的Ti O2半导体光催化剂存在光谱响应范围窄、量子效率低及不易回收等不足,使其在实际应用中受到限制.通过离子掺杂、贵金属沉积和半导体复合等方法对Ti O2进行改性可以拓展其光响应范围,其中半导体复合方法最为常用.复合半导体的特殊能带结构能够有效促进光生载流子的界面迁移,实现光生电荷的有效分离,提高光催化性能,且通过固定化或负载可改善Ti O2的可回收利用性能.鉴于此,本文针对半导体Ti O2的复合和负载制备及其光催化降解有机污染物的性能和反应机理进行了研究.采用条件温和、稳定的溶胶-凝胶法于低温制备出Ti O2/海泡石复合物,通过浸渍和焙烧将Ag2O负载于其上,修饰和拓展了Ti O2的可见光响应范围,最终获得了可见光响应、高效、稳定的Ag2O-Ti O2/海泡石复合光催化剂.利用X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、N2吸附-脱附和紫外-可见光光谱(UV-vis)等手段对其物理化学特性进行了表征.XRD结果表明,复合样品中Ti O2呈锐钛矿相和金红石相的混合晶相.TEM结果表明,复合样品中存在Ag2O和Ti O2两种组分,晶格条纹相互交叠形成了异质结结构.UV-vis谱表明,与Ti O2/海泡石相比,Ag2O-Ti O2/海泡石复合光催化剂的吸收带边明显红移,展现了较强的可见光吸收能力.N2吸附-脱附结果表明,Ag2O-Ti O2/海泡石复合光催化剂具有较大的比表面积和介孔结构,这有助于增强催化剂对污染物的吸附能力并提供更多的复合位点.以酸性红G为模拟污染废水,研究了焙烧温度和Ag2O负载量等制备条件对所制催化剂可见光催化性能的影响.结果表明,在可见光照射下,焙烧温度为200°C,Ag2O负载量为10%条件下制备的复合光催化剂对酸性红G的降解率为98%,与Ag2O-Ti O2、Ag2O/海泡石和Ti O2/海泡石等复合物相比,Ag2O-Ti O2/海泡石复合光催化剂展现了优异的可见光催化性能.此外,Ag2O-Ti O2/海泡石复合光催化剂同样能够在可见光条件下有效降解常见室内空气污染物甲醛,进一步证实了催化剂优异的光催化性能.化学荧光法和活性物种捕获实验表明,复合光催化剂降解有机污染物的活性基团主要是光生空穴和超氧自由基.催化剂能带结构分析表明,Ag2O和Ti O2具有相匹配的能带结构,两者复合有利于光生载流子分离和迁移,增强催化剂光催化活性.海泡石作为光催化剂载体能够有效固载光催化成分,增加光催化剂有效表面积和活性位,有利于提高复合光催化剂的吸附性能和回收利用率.     

具有高光催化活性的介孔单晶TiO2薄膜的制备

光催化技术在常温下能够直接利用太阳能来驱动反应, 已成为一种理想的环境污染治理和洁净能源生产技术. 但是比较多的限制条件阻碍了光催化发展和实际应用, 如何有效解决这些限制因素成为光催化技术走向工业化应用必须解决的问题. 目前光催化材料研究存在的问题主要包括: (1)研究工作主要集中的粉体催化剂存在分离困难、难以重复利用的缺点, 开发与基底结合牢固的薄膜材料是十分必要的; (2)光催化材料本身的光响应范围影响光催化材料的应用, 拓宽催化剂材料的光吸收范围是亟待解决的; (3)光生电子和空穴的复合问题是影响光催化剂催化活性的主要因素之一, 很多方法被用来阻止电子-空穴对的复合, 如: 金属和非金属的掺杂、贵金属修饰、异质结、新型催化剂结构的设计等, 如何设计促进催化剂光生电子和空穴的分离成为光催化技术应用的重要问题.介孔单晶TiO2通过自组装的方法被制备, 成为TiO2的一种新结构材料. 介孔单晶TiO2结合了介孔材料的大比表面积、单晶材料的电荷传输快等优点, 对于光催化性能有了很大的提高. 目前介孔单晶TiO2主要是以粉体的形式存在, 但是粉体TiO2的应用受到多方面的影响, 如: 难回收不易重复利用, 与电催化结合难, 不能借助电催化提高电荷分离效率等. TiO2薄膜能够解决粉体的不足, 近年来, TiO2光催化薄膜得到广泛的研究, TiO2薄膜的制备方法很多, 主要有液相制备方法、物理气相沉积法、化学气相沉积法、电化学方法、溅射法等. TiO2薄膜主要是以纳米颗粒的形式沉积在基底上, 并且多为多晶和无定形. 而对于介孔单晶TiO2薄膜的制备和研究还没有报道. 我们通过直接焙烧一步法制备了介孔单晶TiO2薄膜, 并对TiO2薄膜的生长情况、表面结构、TiO2晶相和晶体完整程度的变化对性能的影响进行了研究. 通过调变Ti与F的比例和煅烧温度, 研究不同的制备条件对其性能的影响, 从而制备高活性TiO2薄膜. 为了进一步提高介孔单晶TiO2薄膜的活性和拓展其吸收光谱范围, 使用高温热解自组装技术一步法制备了贵金属Au负载的介孔单价TiO2薄膜, Au纳米颗粒跟TiO2有较好的结合度. 在可见光照射下, Au/TiO2异质结构中Au表面由等离子体共振效应产生的活泼电子会注入TiO2导带, 使光生电子和空穴得到分离; 同时Au具有特殊的可见光等离子体共振效应能显著改善TiO2类宽带隙半导体的可见光响应性能.实验用还原Cr(Ⅵ)作为探针反应, 考察不同Au含量对光催化性能的影响.     

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.     

Bi3.25Sm0.75Ti3O12纳米线的水热合成及可见光催化性能

用一步水热法制备了直径约为40 nm的Bi3.25Sm0.75Ti3O12(BSmT)纳米线。BSmT纳米线为层状钙钛矿结构。紫外可见漫反射光谱表明,制备出的BSmT材料的带隙能约为2.67 eV。催化反应结果表明,BSmT的光催化活性比掺氮TiO2(N-TiO2)和纯相钛酸铋(Bi4Ti3O12,BIT)高得多,经可见光照射360 min,浓度为0.01 mmol.L-1甲基橙溶液的降解率可达到92.0%。BSmT光催化剂具有更高催化活性的原因是Sm3+离子掺杂拓展了BIT对可见光的吸收范围,同时抑制了BIT的光生电子-空穴的复合。并且BSmT光催化剂经循环使用4次后,其光催化活性并没有明显降低,表明BSmT是一种稳定有效的可见光催化剂。     

具有高光催化活性的介孔单晶TiO_2薄膜的制备（英文）

光催化技术在常温下能够直接利用太阳能来驱动反应,已成为一种理想的环境污染治理和洁净能源生产技术.但是比较多的限制条件阻碍了光催化发展和实际应用,如何有效解决这些限制因素成为光催化技术走向工业化应用必须解决的问题.目前光催化材料研究存在的问题主要包括:(1)研究工作主要集中的粉体催化剂存在分离困难、难以重复利用的缺点,开发与基底结合牢固的薄膜材料是十分必要的;(2)光催化材料本身的光响应范围影响光催化材料的应用,拓宽催化剂材料的光吸收范围是亟待解决的;(3)光生电子和空穴的复合问题是影响光催化剂催化活性的主要因素之一,很多方法被用来阻止电子-空穴对的复合,如:金属和非金属的掺杂、贵金属修饰、异质结、新型催化剂结构的设计等,如何设计促进催化剂光生电子和空穴的分离成为光催化技术应用的重要问题.介孔单晶TiO_2通过自组装的方法被制备,成为TiO_2的一种新结构材料.介孔单晶TiO_2结合了介孔材料的大比表面积、单晶材料的电荷传输快等优点,对于光催化性能有了很大的提高.目前介孔单晶TiO_2主要是以粉体的形式存在,但是粉体TiO_2的应用受到多方面的影响,如:难回收不易重复利用,与电催化结合难,不能借助电催化提高电荷分离效率等.TiO_2薄膜能够解决粉体的不足,近年来,TiO_2光催化薄膜得到广泛的研究,TiO_2薄膜的制备方法很多,主要有液相制备方法、物理气相沉积法、化学气相沉积法、电化学方法、溅射法等.TiO_2薄膜主要是以纳米颗粒的形式沉积在基底上,并且多为多晶和无定形.而对于介孔单晶TiO_2薄膜的制备和研究还没有报道.我们通过直接焙烧一步法制备了介孔单晶TiO_2薄膜,并对TiO_2薄膜的生长情况、表面结构、TiO_2晶相和晶体完整程度的变化对性能的影响进行了研究.通过调变Ti与F的比例和煅烧温度,研究不同的制备条件对其性能的影响,从而制备高活性TiO_2薄膜.为了进一步提高介孔单晶TiO_2薄膜的活性和拓展其吸收光谱范围,使用高温热解自组装技术一步法制备了贵金属Au负载的介孔单价TiO_2薄膜,Au纳米颗粒跟TiO_2有较好的结合度.在可见光照射下,Au/TiO_2异质结构中Au表面由等离子体共振效应产生的活泼电子会注入TiO_2导带,使光生电子和空穴得到分离;同时Au具有特殊的可见光等离子体共振效应能显著改善TiO_2类宽带隙半导体的可见光响应性能.实验用还原Cr(VI)作为探针反应,考察不同Au含量对光催化性能的影响.     

介孔TiO2的水热法制备及其光催化性能

以二钛酸钾(K2Ti2O5)经离子交换得到的无定形水合二钛酸(H2Ti2O5·xH2O)为原料, 与葡萄糖溶液在220 ℃下进行水热反应, 再在空气中520 ℃焙烧, 制备出介孔TiO2. 用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、N2吸附、透射电子显微镜(TEM)等技术对样品进行了表征. 结果表明, 该介孔TiO2具有微米级棒状或针状形貌, 晶粒大小为12.3 nm, 比表面积为106 m2·g-1, 孔容为0.31 cm3·g-1, 孔径为8.06 nm, 焙烧处理后晶型仍是锐钛矿相. 水热生成的碳抑制了晶粒的团聚生长和晶型的转变, 提高了介孔TiO2的热稳定性. 甲基橙降解实验评价了介孔TiO2的光催化性能, 结果发现其活性与商用TiO2催化剂P25相当, 而其较大的粒径更容易回收再利用. 以碘化钾为探针反应, 表明介孔TiO2的光催化机制以光生空穴氧化为主.     

Ti-HMS介孔分子筛的制备及其在一氧化氮催化分解反应中的活性

 在常温下制备了具有不同钛含量的大比表面积和孔体积的介孔分子筛HMS．XRD谱表明,这些Ti－HMS样品呈现出很好的六方晶形．经焙烧后,Ti－HMS样品的UV吸收光谱和XAFS谱结果表明,在Ti－HMS（1）和Ti－HMS（2）骨架中的钛离子以四配位存在,而在Ti－HMS（10）中至少有部分钛是以六配位存在．在NO存在的情况下,在273K下光催化剂Ti－HMS受紫外光照射后,导致NO分解生成N2,O2和N2O．实验结果表明,具有高分散四配位钛的Ti－HMS（1）使NO以高效率、高选择性分解生成N2和O2;随着钛含量的增加,其光催化活性反而降低．     

介孔TiO2的水热法制备及其光催化性能

以二钛酸钾(K2Ti2O5)经离子交换得到的无定形水合二钛酸(H2Ti2O5·xH2O)为原料,与葡萄糖溶液在220℃下进行水热反应,再在空气中520℃焙烧,制备出介孔TiO2.用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、N2吸附、透射电子显微镜(TEM)等技术对样品进行了表征.结果表明,该介孔TiO2具有微米级棒状或针状形貌,晶粒大小为12.3 nm,比表面积为106 m2·g-1,孔容为0.31 cm3·g-1,孔径为8.06 nm,焙烧处理后晶型仍是锐钛矿相.水热生成的碳抑制了晶粒的团聚生长和晶型的转变,提高了介孔TiO2的热稳定性.甲基橙降解实验评价了介孔TiO2的光催化性能,结果发现其活性与商用TiO2催化剂P25相当,而其较大的粒径更容易回收再利用.以碘化钾为探针反应,表明介孔TiO2的光催化机制以光生空穴氧化为主.     

原位法制备石墨相碳/TiO_2复合光催化剂及其高效降解新兴酚类污染物性能（英文）

绿色光催化技术在可持续水处理和环境修复领域具有广阔的应用前景.光催化效率在很大程度上取决于光催化剂,其中二氧化钛(Ti O_2)因具有超强的光氧化能力、化学稳定性和低成本等优点而广泛应用于光催化降解水中各类有机污染物.然而,Ti O_2的光催化效率仍然受限于其自身比表面积小、太阳光利用率低以及光生载流子复合速率快等缺点.为了克服以上缺点,进一步提高Ti O_2的光催化效率,本研究采用简单易行的原位共缩合结合水热处理技术,以葡萄糖为碳源,四异丙氧基钛(TTIP)为钛源,成功制备了一系列由锐钛矿相Ti O_2与石墨相碳组成的Ti O_2/C复合光催化剂,它们在水中新兴酚类污染物的降解中表现出了优异的可见光光催化活性.通过X射线衍射、热重分析、X射线光电子能谱、孔隙率分析、扫描电镜、透射电镜、紫外-可见漫反射光谱等表征手段对催化剂的组成和结构、形貌、孔隙率性质及光吸收特性进行了表征.结果显示,Ti O_2/C复合光催化剂具有独特的微孔/介孔结构,以及比Ti O_2更大的比表面积(222-263 m~2 g~(-1))和更窄的带隙能(2.50-2.77 e V).通过水中新兴酚类污染物如乙酰氨基酚(APAP)和对羟基苯甲酸甲酯(MPB)的可见光光催化降解实验研究了Ti O_2/C的光催化性能.结果显示,Ti O_2/C复合光催化剂表现出优于纯Ti O_2和商用P25-Ti O_2的可见光光催化活性.其中,性能最佳的Ti O_2/C-10.3(碳掺杂量为10.3%)在可见光照射下20 min即可完全降解APAP,180 min可降解90%以上的MPB;Ti O_2/C-10.3光催化降解APAP和MPB的表观速率常数分别是纯Ti O_2的7.6和2.8倍,是商用P25-Ti O_2的6.2和2.6倍.Ti O_2/C复合光催化剂表现出良好的稳定性,能够在完成五次光催化循环实验后仍然保持其良好的光催化活性.通过光电化学实验、间接化学探针测试和电子自旋共振光谱分析并结合表征结果,揭示了Ti O_2/C可见光光催化活性提高的原因.首先,石墨相碳的掺入降低了材料的带隙能,拓宽了材料的可见光吸收范围,同时石墨相碳可作为电子阱促进光生电子从Ti O_2的价带转移到自身,从而有效抑制光生载流子的复合;其次,在复合催化剂中,锐钛矿相Ti O_2与石墨相碳密切接触有利于光生载流子的有效分离,也可起到抑制光生载流子复合的作用;最后,复合催化剂较大的比表面积和独特的微孔/介孔双孔结构为APAP和MPB降解反应提供了充足活性位点,同时入射光在孔道内多次反射又进一步提高了催化剂对光能的利用率.在Ti O_2/C光催化降解体系中检测到的主要活性物种有羟基自由基、光生空穴和超氧自由基,三者共同参与APAP和MPB的降解和矿化过程.通过对光催化降解中间产物的分析,分别提出了Ti O_2/C复合光催化剂可见光催化降解APAP和MPB的路径.本研究为设计高效降解水中有机污染物的碳掺杂Ti O_2光催化材料提供了新思路.     

掺杂TiO2介孔材料的合成与表征

基于溶胶-凝胶过程, 以非表面活性剂有机小分子三乙醇胺为模板剂, 合成了TiO2及Fe3+/V5+-TiO2介孔材料. 利用XRD, TEM, BET, UV-Vis DRS等手段表征了材料的结构、形貌、比表面积、孔径分布及吸光性能. 研究结果表明, 用乙醇萃取法脱除模板剂可形成具有蠕虫状孔道结构的TiO2介孔材料, 而利用焙烧法在450 ℃脱除模板剂时可引起孔道的塌陷. 掺杂Fe3+或V5+可稳定材料的介孔结构, 适宜的掺杂摩尔分数为0.5％. 于450 ℃下焙烧后, 掺杂Fe3+/V5+的TiO2的平均孔径分别为10.5和9.6 nm, 比表面积分别达到103.59和90.80 m2/g. 相对于P25光催化剂, 掺杂Fe3+或V5+的TiO2吸光带边红移至可见光区, 说明掺杂离子在此合成过程中可有效地进入TiO2的晶格结构而引起其微观电子结构的改变.     

介孔Al2O3负载PdO催化甲烷燃烧反应性能

采用浸渍法制备了介孔Al2O3(M-Al2O3)负载PdO催化剂,考察了其催化CH4燃烧反应性能.结果表明,以M-Al2O3为载体的PdO催化剂活性比普通Al2O3载体高得多,这很可能与M-Al2O3的孔道结构对PdO物种的限域作用有关.随着PdO/M-Al2O3催化剂焙烧温度的升高,甲烷催化燃烧活性先增加后降低,其中700oC焙烧的催化剂活性最高,400oC反应时CH4转化率为91%.此时Pd物种主要以PdO颗粒形式高度分散在载体的介孔孔道内,而高温焙烧时,Pd物种主要以Pd和PdO的混合晶相存在.尽管900oC焙烧制得的催化剂上CH4的转化率降低,但TOF值最大,这可能与该催化剂中同时存在金属Pd和PdO有关.     

可见光下Fe~（3＋）掺杂对K2La2Ti3O（10）分解水制氢性能的影响

采用溶胶-凝胶法制备了Fe3+掺杂的Fe-K2La2Ti3O10.光催化剂,并通过X射线衍射(XRD)、紫外-可见漫反射(DRS)、X射线光电子能谱(XPS)等技术对其进行了表征和分析,考察了不同掺杂量对K2La2Ti3O10的性质及光催化分解水制氢活性的影响.结果表明,Fe-K2La2Ti3O10.在400-650 nm范围内显示强吸收,光谱响应扩展到可见光区(λ>400 nm),掺杂Fe3+后,K2La2Ti3O10.的可见光区的光催化制氢活性显著提高,掺杂量为nPe/nn=0.04时活性最佳,当催化剂用量为0.1 g,反应液为CH3OH(30 mL)+H2O(90 mL)时,产氢量达到1.92 μmol·h-1,为未掺杂时的4倍.