掺氮TiO2可见光降解有机污染物的比较研究

用溶胶-凝胶法制备了不同掺杂量的N/TiO₂复合纳米粉末, 采用X射线衍射(XRD)、扫描透镜(TEM)、紫外-可见反射吸收光谱(UV-vis)对催化剂进行了初步表征. 通过X射线光电子能谱(XPS)、元素分析仪(EA)测定其含氮量. XPS分析结果显示TiO₂晶格中的氧被氮原子取代, N/TiO₂表面存在Ti^3＋离子; 紫外-可见反射吸收光谱测得不同掺杂量的N/TiO₂的禁带宽度(E_g), 推测在TiO₂价带上方生成了由N诱导产生的中间带, 当氮、钛摩尔比为0.0880时N/TiO₂的E_g最小, 为2.50 eV. 在可见光下, 以酸性桃红(SRB)和无色小分子对氯苯酚(4-CP)作为可见光活性实验的探针反应, 确定了最佳掺杂比为n_N/n_Ti＝0.0880. 结果表明, 最佳掺杂量下N/TiO₂能显著降解SRB和4-CP, 通过测定ESR, IR, TOC, COD, 重点比较了TiO₂在掺杂N前后在降解SRB和4-CP时的差异, 包括氧化物种、矿化率、最终产物等, 证明在可见光下, N/TiO₂的降解机理为电子从独立的N 2p轨道激发到Ti 3d轨道, 产生羟基自由基等氧化物种, 达到降解有机物的目的.     

溶胶-凝胶法低温制备N掺杂TiO2可见光光催化剂

为了满足低温制备可见光光催化材料的需要,采用溶胶-凝胶法制备TiO₂纳米晶溶胶,再与聚乙烯基吡咯烷酮(PVP)直接反应制备N掺杂TiO₂可见光光催化剂。通过XPS分析,说明N取代了部分晶格中的O,UV-Vis漫反射吸收光谱显示,光催化剂具有明显的可见光响应,这是由于N原子的2p轨道位于O原子的2p轨道之上,从而使得价带和导带间的能量带隙变窄,引起吸收带红移,产生明显的可见光吸收。依靠亚甲基兰(MB)的可见光降解实验证明,N掺杂光催化剂具有良好的可见光光催化活性,16 h MB降解率接近25％。     

Cu、N共掺杂TiO2纳米管光催化重整甘油制备合成气

通过碱性水热-离子交换法制备了Cu、N共掺杂TiO₂纳米管(Cu/N-TNT),对其光催化重整甘油制备合成气性能进行了研究。结果表明,Cu/N-TNT具有富含氧空位(O_V)的管状结构,N以Ti-N形式取代部分O形成杂质能级,Cu以Cu²⁺形式掺杂在催化剂晶格间隙和表面,Cu、N共掺杂促进TiO₂表面电荷有效分离,有利于其光催化重整甘油制备合成气活性和选择性的提高。紫外光照射8 h时,掺Cu量为0.15%的Cu/N-TNT催化剂上CO和H₂产量分别为7.3和8.5 mmol·g^-1,是原始TiO₂的9.1和70.8倍,n_H2/n_CO从0.52提高为1.18,n_CO/n_CO2从0.21提高至0.42。Cu/N-TNT表面N和O_V为醛类脱羰和甲酸脱水生成CO提供反应活性位点,Cu作为浅势阱提高光生电子-空穴分离效率。光生空穴(h⁺)是光催化重整甘油制备合成气过程中的主要活性物种,大量羟基自由基(·OH)和超氧自由基(·O₂^-)会导致甘油过度氧化,使CO选择性降低。     

TiO2/Cu2O/Pt复合空心微球的制备及其光催化性能

以锐钛矿相TiO₂溶胶为基底,采用沉淀法和液相沉积法制备了TiO₂/Cu₂O/Pt复合空心微球,通过改变n_Ti⁴⁺∶ n_Cu²⁺和H₂PtCl₆·6 H₂O溶液的加入量对TiO₂的形貌和结构进行调控,采用不同的方法对不同样品的物相及结构、微观形貌和光学性能进行了对比分析。分析结果表明,复合材料中Pt与Cu₂O的引入产生协同效应,不仅在一定程度上阻止了电子-空穴的复合,还降低了禁带宽度,在可见光区域光吸收明显增强。与TiO₂、Cu₂O和TiO₂/Cu₂O光催化剂相比较,TiO₂/Cu₂O/Pt降解有机污染物的能力显著增强,首次光照120 min可降解93%的甲基橙(MO)溶液,4次循环后降解率为71%,具有良好的光催化稳定性能。     

表面In掺杂TiO2的N719/TiO2-Inx%/FTO薄膜电极的光电转换效率

采用溶胶-凝胶法制备出In 表面修饰的TiO₂ (TiO₂-Inx%)纳米粒子, x%代表在In 掺杂的TiO₂样品中In³⁺与In³⁺和Ti⁴⁺离子摩尔百分含量. 利用二(四丁基铵)顺式-双(异硫氰基)双(2,2''-联吡啶-4,4''-二羧酸)钌(II)(N719)作为敏化剂, 制备出N719/TiO₂/FTO (氟掺杂锡氧化物)和N719/TiO₂-Inx%/FTO染料敏化薄膜电极. 光电转换效率实验表明, 在薄膜电极+0.5 mol·L^-1 LiI+0.05 mol·L^-1 I₂的三甲氧基丙腈(MPN)溶液+Pt 光电池体系中,N719/TiO₂-Inx%/FTO薄膜电极的光电转换效率均高于N719/TiO₂/FTO, 其中N719/TiO₂-In0.1%/FTO的光电转换效率比N719/TiO₂/FTO提高了20%. 利用X 射线衍射(XRD)、X 射线光电子能谱(XPS)、漫反射吸收光谱(DRS)、荧光(PL)光谱和表面光电流作用谱确定了TiO₂-Inx%样品中In3+离子的存在方式和能带结构; 利用表面光电流作用谱研究了N719/TiO₂-Inx%/FTO薄膜电极的光致界面电荷转移过程. 结果表明, In3+离子在TiO₂表面形成O-In-Cl_n (n=1, 2)物种, 该物种的表面态能级位于导带下0.3 eV处; 在光电流产生过程中, O-In-Cl_n (n=1, 2)表面态能级有效地抑制了光生载流子在TiO₂-Inx%层的复合, 促进了阳极光电流的增加, 从而导致N719/TiO₂-Inx%/FTO薄膜电极的光电转化效率高于N719/TiO₂/FTO, 并进一步讨论了光致界面电荷转移的机理.     

氟掺杂TiO2纳米管的可见光催化活性及第一性原理计算

作为光催化技术的核心, 提高TiO₂的光催化活性和对可见光的利用率是当前光催化研究中最重要的研究课题. 为了提高TiO₂纳米管的可见光催化活性, 采用化学气相沉积法对TiO₂纳米管进行了氟掺杂. 扫描电子显微镜(SEM)结果表明退火温度对于TiO₂纳米管的形貌完整性有较大影响, 当样品在550和700 °C下退火, 氟掺杂TiO₂纳米管结构受损; X射线衍射(XRD)分析表明氟掺杂对TiO₂由锐钛矿相转化为金红石相有阻碍作用; X射线光电子能谱(XPS)测试表明化学气相沉积能有效地对TiO₂纳米管进行非金属掺杂, 且该方法安全、操作简单. 氟掺杂TiO₂纳米管对甲基橙有较高的可见光催化降解活性. 第一性原理计算结果表明氟掺杂对TiO₂带隙无显著影响, 费米能级附近的F 2p轨道电子位于价带底部, 与O 2p交联作用较小, 因此对TiO₂光吸收带边影响不大. 氟掺杂能促进表面氧空穴的产生, 增加表面酸度与Ti³⁺, 有利于减少电子-空穴复合率, 从而提高其光催化活性.     

过硫酸盐激活协同可见光催化降解四环素的机理和降解路径

为了提升微污染水体中抗生素的降解效率,利用过硫酸钠(PDS)激活协同手性介孔TiO₂可见光催化(PDS/vis-TiO₂)对四环素(TC)进行降解。详细对比研究了以手性TiO₂作为催化剂的PDS激活(PDS/TiO₂)、可见光催化(vis-TiO₂)和PDS/vis-TiO₂三种体系中,降解污染物的活性物种和污染物降解路径等的差异。结果表明,不对称的螺旋堆积结构在手性介孔TiO₂中引入了丰富的Ti³⁺,不仅提升了其可见光响应,同时能够激活PDS生成自由基。PDS/vis-TiO₂体系中光生空穴h⁺和·OH等多种自由基可以同时参与TC的降解,5 h内其对TC去除率可达到95%以上,远超PDS/TiO₂体系(TC去除率为48.9%)和vis-TiO₂体系(TC去除率为71.1%)。PDS加入到光催化体系中,会受到光生电子的激活而产生自由基,从而消耗光生电子,提升光生空穴和电子的分离率,达到协同增强污染物的降解能力。另外PDS激活后产生自由基也会大大增加体系对TC的降解性能。密度泛函理论计算和中间产物分析结果表明,TC在PDS/vis-TiO₂体系中的降解路径包含了光生空穴h⁺攻击TC的降解路径,同时也包括自由基攻击TC的降解路径。     

TiO2光催化剂可见光化研究进展

TiO2在光催化和光电转换方面应用前景十分广阔,而阻碍其应用的是它的大禁带宽度(E_g=3.2_eV),不能有效地利用太阳能,因此研究开发可见光响应的TiO₂就成为当前光催化剂研究的关键课题.目前TiO₂可见光化的研究取得了一定进展,金属离子掺杂、非金属离子掺杂、离子注入以及染料光敏化等方法都不同程度地实现了TiO₂可见光化.本文综述了目前的研究现状,并对今后的研究提出了展望.     

N掺杂对TiO2形态结构及光催化活性的影响

以TiCl₄为钛源,采用酸催化水解法合成TiO₂前驱体,在NH₃/N₂气氛下经不同温度处理制得浅黄色的N掺杂TiO₂(TON)光催化剂。以苯酚为模型物,考察了催化剂在紫外光区、可见光区及太阳下催化活性;采用DRS、XPS、XRD、FTIR、SEM及低温氮物理吸附对光催化剂的晶相结构、光谱特征和表面结构等进行表征。系统研究了N掺杂对TiO₂形态结构及光催化活性的影响。结果表明,掺杂N以阴离子形式进入TiO₂体相中置换晶格中的O,适宜温度下制得适量N掺杂的TON在紫外光区、可见光区及太阳光下均表现出较高的活性。N掺杂在TiO₂表面生成Ti-O-N键,形成新的能级结构,使催化剂的吸收红移至450～550 nm,诱发TiO₂可见光催化活性。同时高温下煅烧,N掺杂可抑制TiO₂晶粒生长,减缓TiO₂粒子间团聚,提高锐钛矿相向金红石相转变温度,减缓相转化速度。     

Ag掺杂型空心TiO2纳米微球的制备与表征及其光催化性能

通过甲基丙烯酸与苯乙烯的乳液聚合制备了表面载有阴离子的聚苯乙烯(PSt)纳米乳胶粒. 在乙醇与水的混合溶剂中, 用硅烷偶联剂乙烯基三甲氧基硅烷对其进行表面改性. 以此乳胶粒为模板, 加入钛酸四丁酯和硝酸银制备了Ag₂O掺杂型聚苯乙烯/二氧化钛(PSt/TiO₂)复合微球. 对该微球在180 °C进行液相预处理、干燥、500 °C煅烧等步骤制备了Ag 掺杂型Ag-TiO₂复合粒子. 通过扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)和X射线衍射(XRD)等手段对PSt/TiO₂复合粒子及Ag-TiO₂空心粒子的形貌及晶体结构等进行了表征. 考察了Ag-TiO₂复合粒子在紫外光(365 nm)与紫外-可见光(370-760 nm)下对罗丹明B (RhB)降解的催化活性. 结果表明, 与不含银的TiO₂空心微球相比, 在紫外光照射下, 银含量(n_Ag/n_Ti)为0.1%的Ag-TiO₂复合粒子对RhB的降解率提高了11%左右; 在紫外-可见光照射下, n_Ag/n_Ti为1.0%和2.0% 的Ag-TiO₂复合粒子对RhB的降解率提高了30%左右.     

Gd3+掺杂TiO2纳米复合材料的可见光响应性能

采用溶胶-凝胶技术,在钛酸四丁酯(TBOT)的水解过程中,加入硝酸钆(Gd(NO₃)₃),得到具有可见光响应活性的Gd³⁺/TiO₂复合材料。应用TEM、XRD、TG-DTA和UV-Vis等手段对纳米TiO₂复合材料进行了表征。当Gd³⁺的掺杂量为0.5%时,Gd³⁺/TiO₂复合材料在550 nm附近产生宽强吸收带。Gd³⁺进入TiO₂晶格中,形成了新的掺杂能级(E_g=1.27 eV)。适量Gd³⁺掺杂的纳米TiO₂复合材料的光催化性能优于纯TiO₂粉体材料。     

Cr掺杂对K2La2Ti3O10光催化活性的影响

通过溶胶-凝胶法制备了层状钙钛矿结构的K₂La₂Ti₃O₁₀及Cr掺杂的K₂La₂Ti₃O₁₀，采用X-射线衍射(XRD)、紫外可见漫反射光谱(DRS)、X射线光电子能谱(XPS)等对K₂La₂Ti₃O₁₀及Cr掺杂K₂La₂Ti₃O₁₀进行了表征。以I^-为电子给体、分别在紫外和可见光辐射下研究了K₂La₂Ti₃O₁₀及Cr掺杂K₂La₂Ti₃O₁₀光催化分解水的产氢活性。采用第一性原理，计算了Cr掺杂对K₂La₂Ti₃O₁₀半导体能带结构和态密度的影响，从电子结构的变化揭示了掺杂引起光催化活性差异的原因。结果表明，Cr的掺入能够改善和提高K₂La₂Ti₃O₁₀的光解水的产氢活性；Cr改善和提高K₂La₂Ti₃O₁₀的光解水的产氢活性存在一个最佳的掺杂浓度；当Cr与Ti的物质量的比为0.02∶1时，紫外光催化分解水产氢速率为1 500 μmol·L^-1·h^-1，可见光催化分解水产氢速率为83.6 μmol·L^-1·h^-1，分别为K₂La₂Ti₃O₁₀掺杂改性前产氢速率的26和5倍。     

具有高可见光催化活性的Ti3+和碳共掺杂改性的TiO2光催化剂

以乙醇为碳源,采用操作简单的真空活化法一步实现对TiO₂的Ti³⁺与C的共掺杂改性,TiO₂用X衍线衍射、紫外-可见光谱、顺磁共振、X射线光电子能谱和红外光谱等手段表征了催化剂的结构、组成、光学性质. 结果表明, 经Ti³⁺与C共掺杂改性后的催化剂表现出高的可见光降解甲基橙活性. 复合在催化剂表面的石墨可以增强催化剂对可见光的响应范围,而Ti³⁺与氧缺陷形成的掺杂能级则可以提高光生电子的迁移效率. 实验表明,两者之间的协同作用促进了其可见光催化活性的提高.     

TiO2/Gd2O3纳米粉体的制备、表征及光催化活性

利用酸催化的溶胶-凝胶法制备了纯TiO₂和Gd³⁺(0.5wt%)掺杂的TiO₂纳米粉体，采用XRD、BET、XPS、紫外-可见漫反射谱(DRS)和表面光电压谱(SPS)等技术进行了表征；以亚甲基蓝(MB)的光催化降解为探针反应，评价了其光催化活性；探讨了Gd³⁺掺杂对TiO₂纳米粉体的光催化活性的影响机制。结果表明，TiO₂/Gd₂O₃纳米粒子对MB溶液的光催化活性提高到纯TiO₂的1.5倍。掺杂Gd³⁺可以强烈抑制TiO₂由锐钛矿相向金红石相的转变；阻碍TiO₂晶粒的生长；提高高温组织稳定性，改善粉体的表面织构特性；形成光生电子的浅势捕获陷阱，抑制e^-/h⁺复合，这些因素共同作用最终导致TiO₂/Gd₂O₃纳米粉体的光催化活性明显提高。XPS分析结果证实，掺杂Gd³⁺导致粉体的表面羟基含量降低。由于产生了量子尺寸效应，复合粉体的紫外吸收带边蓝移，光的吸收能力略有降低。     

GO/TiO2-g-C3N4纳米复合材料的制备及可见光催化性能

以水热法制备的20% g-C₃N₄/TiO₂（20%为质量分数）为基,将其与不同质量分数的氧化石墨烯（GO）复合制备出可见光催化性能优良的GO/TiO₂-g-C₃N₄三元复合材料。利用X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、X射线光电子能谱（XPS）、紫外-可见漫反射光谱（UV-Vis DRS）、光致荧光光谱（PL）、瞬态光电流响应等分析测试手段对样品的结构、形貌和光电性能进行表征。研究了不同质量分数GO的加入对GO/TiO₂-g-C₃N₄在可见光下降解亚甲基蓝（MB）溶液的影响。结果表明： g-C₃N₄/TiO₂与GO复合后,锐钛矿相TiO₂颗粒形成小团簇附着在g-C₃N₄和GO片层表面,且当GO含量为15%时,TiO₂形成的团簇最小,对可见光的吸收最多且光生电子-空穴对的复合率最低。可见光照射下,15% GO/TiO₂-g-C₃N₄复合材料对MB的降解率在3 h内可达98.4%,且其降解速率常数（0.022 4 min^-1）分别是纯TiO₂（0.001 5 min^-1）和g-C₃N₄/TiO₂（0.002 5 min^-1）的15倍和9倍。     

Bi2Ti2O7/TiO2/Bi4Ti3O12多异质结的构筑及其增强的可见光催化性能

以静电纺丝技术制备的TiO₂纳米纤维为基质,硝酸铋为铋源,KOH为矿化剂,成功制备了多异质结Bi₄Ti₃O₁₂/TiO₂/Bi₂Ti₂O₇复合纳米纤维光催化剂。通过X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、紫外可见漫反射光谱(UV-Vis DRS)等一系列表征,对其物相组成、微观形貌和光学性质等进行分析。结果表明： TiO₂纳米纤维的介入,将Ⅰ型异质结Bi₂Ti₂O₇/Bi₄Ti₃O₁₂分离为2个Ⅱ型异质结Bi₂Ti₂O₇/TiO₂和Bi₄Ti₃O₁₂/TiO₂。Bi₂Ti₂O₇、Bi₄Ti₃O₁₂和TiO₂三者的协同作用,有效提高了可见光吸收能力,改变了光生载流子的传输路径,降低了光生电子与空穴的复合几率,从而获得高效的光催化降解CH₃CHO性能。可见光照8 h,Bi₄Ti₃O₁₂/TiO₂/Bi₂Ti₂O₇复合纳米纤维对CH₃CHO的降解率达到87.1%。     

掺杂Fe2O3对吸附相反应技术制备TiO2的形貌和光催化性能的影响

利用吸附相反应技术制备得到了掺杂不同浓度的Fe₂O₃的TiO₂复合光催化剂。通过透射电子显微镜(TEM)、紫外可见光谱和X射线衍射(XRD)研究不同掺杂浓度对TiO₂形貌和结晶过程的影响,并利用3种波长光源下的甲基橙光降解实验考评了各个复合光催化剂的催化活性。结果表明,掺杂后复合光催化剂中Fe₂O₃分散性较好较均匀。在TiO₂紫外可见吸收光谱中由于Fe₂O₃的掺杂而出现了红移,而且随着掺杂浓度增加红移越来越明显,复合光催化剂的禁带宽度也越来越小。在焙烧过程中无定形Fe₂O₃或Fe³⁺进入了TiO₂的晶格结构,从而抑制了TiO₂的结晶过程。半导体禁带宽度的减少以及TiO₂结晶过程的抑制作用,都导致紫外光下复合光催化剂催化活性的降低。但Fe₂O₃的掺杂也使得复合光催化剂在可见光区出现了一定的光催化活性。     

Ce掺杂K2La2Ti3O10催化剂的可见光高效催化制氢的研究

采用高温固相法合成了铈掺杂的K₂La₂Ti₃O₁₀催化剂, 利用X射线衍射(XRD)、紫外-可见漫反射(UV-vis DRS)、透射电镜(TEM)和X射线光电子能谱(XPS)对催化剂进行了表征. 考察了催化剂的可见光催化分解甲醇水溶液制氢的活性, 并对可见光催化机理进行了分析. 研究表明, 铈的掺杂没有改变K₂La₂Ti₃O₁₀的微晶结构, 并使催化剂粒径有所减小. 紫外可见漫反射分析表明禁带宽度为2.3 eV左右, 对可见光具有较高吸收. XPS表明La和Ti为＋3和＋4价, 而Ce则是＋3和＋4的混合价态. 担载2 wt% Pt后, 在可见光下光催化活性大大提高, 当铈的掺杂量为0.5 mol%(即Ce取代La的摩尔百分量)时, 光催化活性达到最大, 产氢速率为0.05 mmol/h; 光照5 h后产氢量为0.22 mmol, 而纯K₂La₂Ti₃O₁₀的产氢量只有0.037 mmol.     

Pt、N共掺杂TiO2在可见光下对三氯乙酸的催化降解作用

采用溶胶-凝胶法制备了氮掺杂纳米TiO₂(N-TiO₂), 并用光分解沉积法在N-TiO₂表面负载微量金属Pt(0.5％(w)), 形成铂-氮共掺杂纳米TiO₂(Pt/N-TiO₂). 实验结果表明, Pt 、N共掺杂纳米TiO₂紫外可见光吸收边带较纳米TiO₂红移约20 nm, 并在400～500 nm处有弱的吸收. Pt/N-TiO₂电极在可见光区的光电流约为纳米TiO₂电极的6倍. 以Pt/N-TiO₂为催化剂, 催化三氯乙酸(TCA)光降解反应, 室温下经可见光照射2 h后TCA降解率约为8％. N掺杂减小了TiO₂的禁带能隙, 使它在可见光区具有光催化活性, 适量Pt掺杂抑制了光生载流子的复合, 加速了电子界面传递速度, Pt、N共掺杂使两种效应相结合, 进一步提高了光催化反应性能.     

N, S共掺杂纳米TiO2：水解-溶剂热法合成及可见光催化活性

采用简单的两相分离的水解-溶剂热法,以硫脲为非金属原料,可控地制备了N,S共掺杂的纳米TiO₂。所获得的纳米TiO₂平均粒径为10nm、粒径分布集中,且分散性好。N,S共掺杂拓展了纳米TiO₂对可见光的响应范围。气氛可控的表面光电压谱（SPS）的测试结果表明,N,S共掺杂引起的表面态能够捕获光生空穴,进而有利于光生电荷分离。在可见光催化氧化水产氧及降解污染物乙醛的过程中,共掺杂的纳米TiO₂表现出了高的活性,甚至优越于N掺杂的。这主要归因于N,S共掺杂的纳米TiO₂分散性好、可见光吸收强和光生电荷分离高。