TiO2表面光催化基元过程

在过去的几十年里,得益于二氧化钛(TiO₂)作为光催化剂在光催化分解水、污染物降解方面的潜在应用,人们对TiO₂光催化剂的开发、改良以及TiO₂表面光催化机理的基础研究方面都投入了巨大的精力。因此,在超高真空环境下,利用不同的实验和理论方法,人们对TiO₂表面(特别是金红石TiO₂(110)表面)的热催化和光催化过程进行了大量的研究,以此来获得上述重要反应中的一些机理性的信息。本文中,将从TiO₂的物质结构以及电子结构开始,然后着重介绍TiO₂表面光生电荷(电子和空穴)的传输、捕获以及电子转移动力学方面的进展。在此基础上,总结了甲醇在金红石TiO₂(110)、TiO₂(011)以及锐钛矿TiO₂(101)表面光化学基元反应过程的一些实验结果。这些结果不仅能增进我们对表面光催化基元过程的认识,同时也能激励我们进一步去研究表面光催化基元过程。最后,基于现有光化学实验结果,简短地讨论了我们对光催化反应机理的一点看法,并提出了一个可能的光催化模型,这可以引起人们对光催化反应机理更全面的思考。     

超微粉二氧化钛和掺杂三氧化二铁光催化剂的表面光电压谱研究

基于表面光伏效应测得的表面光电压谱在半导体表面化学物理的研究中早已获得极为广泛的应用。近年来,我们实验室成功地将这一技术应用于复相光催化的研究中^[1,2],如发现表面光伏信号是半导体多晶粉末光催化剂具有活性的必要条件,光电压信号愈强光催化活性愈高,而且二者存在半定量的关系。这些结果启发我们,表面光伏技术有可能发展成为一种快速评估光催化剂的有效方法。     

电催化硝酸根还原制氨

在创新教育背景下,以硝酸根电催化还原制氨为反应案例,将科研成果融入到实验教学中.基于学生己掌握的实验技能和基础电化学知识,利用电化学测量技术、核磁共振波谱法、紫外分光光度法等探究催化剂电催化硝酸根还原制氨的性能.通过具体的实验操作,让学生进一步认识电催化的基本原理,掌握基础的电化学测量技术,激发学生对电化学合成的兴趣.本教学实验内容丰富,涉及多学科知识,满足多学科交叉融合发展需求,有利于学生创新发散思维的培养,符合新时代学科教育要求.     

二氧化钛微粒存在下表面活性剂光催化分解机理的研究

半导体微粒子(二氧化钦等)在光照射下产生强烈的氧化能力,可以把水和空气中的许多难分解有毒有机污染物氧化分解为二氧化碳、水等无机物。该方法分解速度快、除净度高,有着很大的应用前景^[1~3]。在过去几年里,我们广泛地报导了在二氧化钦半导体微粒子催化下表面活性剂^[3,4]、农药^[5]氰化物困等环境污染物的光催化分解。烷基、芳香基及含氧碳氢基团可被氧化分解为二氧化碳和水^[4];有机化合物中的卤素^[5]、磷川、硫^[8]氮^[9]原子分别被光分解为卤素离子、磷酸根离子、硫酸根、按和硝酸根离子。因多相光催化反应十分复杂,目前对光催化分解过程,特别是中间化合物的生成及其浓度变化了解很少,甚至连光致电子及空穴的反应也并不十分明确。     

甲醇和水在金红石TiO2（110）表面光催化基元过程研究：表面光催化新的物理图像的探讨

作为在能源和环境领域有着重要应用前景的绿色技术,光催化的发展受到了广泛的关注。然而,光催化反应机理和动力学方面的研究却远远落后于光催化剂的发展。一系列的研究结果表明, TiO2表面光催化反应起始于光的吸收。 TiO2吸收大于其带隙的光子后,则会产生电子空穴对,而电子,空穴分离后,会在百飞秒量级时间范围内弛豫到导带或者是价带边上,多余的能量则会激发声子振动。而分离的电子或者是空穴会在皮秒或者是更长时间范围内与反应物相互作用,来驱动反应发生。因此,在这种前提下,反应速率和激发光的波长就没有直接联系了。相反,反应速率和TiO2对不同光波长的光吸收系数有很大关系。本文总结了本课题组最近在金红石TiO2(110)表面开展的甲醇和水的光解离基元过程的研究结果。首先,我们发现在金红石TiO2(110)表面,利用400 nm去照射甲醇或者水覆盖的金红石TiO2(110)表面,甲醇能够高效的发生解离,而水却没有观察的解离。通过基于基态反应的理论计算,发现水两步解离的低能垒是反应不能有效发生的关键。另外,我们也研究了甲醇在355和266 nm光照射下在金红石TiO2(110)表面的解离,结果发现,甲醇在266 nm照射下的解离速率比355 nm快了100倍,而TiO2对266 nm光的吸收系数比355 nm也就高了2–4倍。这充分说明了光子能量对反应有非常显著的贡献,现有的光催化模型已经不能很好地解释我们观察的实验现象。在此基础上,我们提出了一个基于非绝热过程和基态反应的模型来解释这些新的实验现象。这个模型不仅能解释我们的实验结果,还能为增进光催化的理解打开一扇新的大门。为了能让这个模型应用到一般的光催化过程中,需要着重开展表面附近电子-空穴复合导致的基态光催化反应的研究,来验证和完善这个新的模型。     

二氧化钛微晶结构和光催化性能关联性研究

研究了不同煅烧温度、煅烧时间的系列二氧化钛样品悬浮体系光催化降解X-3B活性艳红的催化活性。分析了晶粒尺寸、晶相、晶格畸变应力和光催化体系等诸多因素对二氧化钛光催化活性的影响。发现晶格畸变应力对空穴电子对复合速率的影响在诸因素中占主导地位,并在一定程度上决定了二氧化钛悬浮体系的光催化效能。     

ZnO纳米粒子的表面光电压谱和光催化性能

采用焙烧前驱物碱式碳酸锌的方法制备了不同粒径的ZnO纳米粒子，而用粒径 最小的作为光催化剂，通过光还原过程分别得了贵金属质量分数为0.5%和0.75%的 Pd/ZnO或Ag/ZnO复合纳米粒子。利用XRD，TEM，XPS，SPS和EFISPS等测试技术对样 品进行了表征，并通过光催化氧化气相正庚烷评估了样品的光催化活性，考察了微 晶尺寸和贵金属Pd或Ag的沉积对ZnO纳米粒子表面光电压信号以及光催化活性的影 响，探讨了样品表面光电压谱与其光催化活性的关系，说明了可以通过表面光电压 谱的测试来初步地评估纳米粒子的光催化活性。结果表明：随着ZnO纳米微晶尺寸 的减小，其SPS信号强度逐渐变弱，而光催化活性逐渐升高；沉积适量的贵金属Pd 或Ag后，ZnO纳米粒子的SPS信号强度明显下降，而其光催化活性却有所升高。此外 ，对ZnO纳米粒子光催化剂的失活机理进行了分析。     

ZnO纳米粒子的表面光电压谱和光催化性能

采用焙烧前驱物碱式碳酸锌的方法制备了不同粒径的ZnO纳米粒子，而用粒径 最小的作为光催化剂，通过光还原过程分别得了贵金属质量分数为0.5%和0.75%的 Pd/ZnO或Ag/ZnO复合纳米粒子。利用XRD，TEM，XPS，SPS和EFISPS等测试技术对样 品进行了表征，并通过光催化氧化气相正庚烷评估了样品的光催化活性，考察了微 晶尺寸和贵金属Pd或Ag的沉积对ZnO纳米粒子表面光电压信号以及光催化活性的影 响，探讨了样品表面光电压谱与其光催化活性的关系，说明了可以通过表面光电压 谱的测试来初步地评估纳米粒子的光催化活性。结果表明：随着ZnO纳米微晶尺寸 的减小，其SPS信号强度逐渐变弱，而光催化活性逐渐升高；沉积适量的贵金属Pd 或Ag后，ZnO纳米粒子的SPS信号强度明显下降，而其光催化活性却有所升高。此外 ，对ZnO纳米粒子光催化剂的失活机理进行了分析。     

催化荧光法测定痕量亚硝酸根和硝酸根

亚硝酸盐广泛存在于土壤、天然水、食品等物质中,其易于仲胺、酰胺等反应,生成强烈致癌的亚硝胺化合物,是水污染的指标之一.亚硝酸根的测定通常采用Griess比色法,近年来又报道了极谱法和动力学法.试验发现,在稀磷酸溶液中.亚硝酸根对溴酸钾氧比罗丹明6G的反应有很强的催化作用,据此建立了测定痕量亚硝酸根的催化荧光分析方法,硝酸根可用锌粉还原至亚硝酸根进行测定.本法用于雨水中痕量亚硝酸根和硝酸根的测定,得到了满意结果.     

半导体材料表面光催化反应在分析化学中的应用

对依据半导体材料表面光催化反应基本原理建立的灵敏分析方法分别从方法原理,仪器装置以及应用等方面进行了评述,报道了近年来的一领域的研究进展。     

载钛中孔二氧化硅分子筛的光催化性能研究

分别 以单一 Ｔｉ Ｏ２ 纳米粒 子及不 同 Ｔｉ Ｏ２ 覆 盖率的中 孔分 子筛（ Ｔｉ Ｏ２／ Ｈ Ｍ Ｓ） 和微 孔分 子筛（ Ｔｉ Ｏ２／ Ｎａ Ｙ） 为光催 化剂,以２ ,４ ,６三氯苯 酚（ Ｔ Ｃ Ｐ） 为 降解对象 ,考察了 两类分子 筛担 载 Ｔｉ Ｏ２ 的光催化性 能． 结 果表明 ： 在钛 含量相 同的 条 件下 , Ｔｉ Ｏ２／ Ｈ Ｍ Ｓ 的光 催 化活 性 高于 Ｔｉ Ｏ２／ Ｎａ Ｙ 和 单一 Ｔｉ Ｏ２ 的光催 化活性; Ｔｉ Ｏ２ 负载量 较低时 , Ｔｉ Ｏ２／ Ｈ Ｍ Ｓ 即可 显示 有高 的光 催化 活性, 且其 光催 化活性随着 中孔分 子筛孔径 的增大而 升高     

锌—镉法测定天然水中硝酸盐的盐误差及其解决方法

研究了锌-镉法测定天然水中硝酸盐的盐误差,发现水中含盐量对还原率有重大影响,但在盐度为1%以后还原率基本不变;加入人工海盐(1.5g/50ml水样)可消除盐误差.由此建立了没有盐误差的新的锌-镉法.方法相对标准偏差小于3%,回收率为98%～102%,与镉-铜法对比,两种方法的相对偏差小于8%.     

钯微粒修饰聚苯胺电极对甲酸氧化的电催化研究

有机小分子的燃料电池具有重要的应用前景,人们对它在贵重金属上的电催化氧化进行了大量研究。Pd具有不同于其它贵重金属的特性,在甲酸氧化中表现出与其它金属不同的电催化机理。Gholamian报道了将Pt微粒修饰聚苯胺电极对甲酸氧化的电催化研究,我们发现以多聚磷酸作为支持电解质所聚合的聚苯胺(PAN)再修饰金属原子方面具有其独特之处,并且用Pt进行再修饰之后对甲酸氧化的催化活性明显高于文献[4]的报道。因此本实验选用多聚磷酸为支持电解质电聚合苯胺,然后将钯微粒嵌入沉积到PAN中,并研究其对甲酸氧化的电催化作用。     

H2O2、金属离子等对Cr(Ⅵ)离子光催化还原及对敌敌畏农药光催化氧化的影响

以Cr(Ⅵ)离子、敌敌畏农药作为污染物的代表,研究了H₂O₂、金属离子等对Cr(Ⅵ)离子光催化还原及对敌敌畏农药光催化氧化的影响.结果表明,加入少量的H₂O₂对Cr(Ⅵ)离子的光催化还原起阻碍作用,对敌敌畏农药的光催化氧化起促进作用;加入少量的Cu²⁺对Cr(Ⅵ)离子光催化还原及对敌敌畏农药的光催化氧化均起促进作用;加入Zn²⁺、Na⁺对Cr(Ⅵ)离子及敌敌畏农药的光催化降解均无明显的影响;加入甲醇、甲苯对Cr(Ⅵ)离子的光催化还原起促进作用,对敌敌畏农药的光催化氧化起阻碍作用.探讨了H₂O₂、金属离子等对Cr(Ⅵ)离子光催化还原及对敌敌畏农药光催化氧化影响的机理.     

ZrO2催化剂上吸附甲酸的TPD和IR研究

众多的研究表明甲酸在氧化物催化剂上的吸附分解与催化剂的表面酸碱性质有关。研究吸附相甲酸物种的变化表明甲酸分解反应的选择性除受温度影响外,还与甲酸的表面覆盖度有关。Z_rO_2表现为较典型的弱酸弱碱双功能性催化剂。最近我们的研究表明Z_rO_2表面存在表面键诱导酸-碱相互作用,它的酸-碱双功能催化作用在烷基胺分解转化为腈的反应中得到了较好地体现。本文报导Z_rO_2催化剂上吸附甲酸的程序升温脱附(TPD)和红外光谱(IR)研究结果。     

反相高效液相色谱测定在乙醇酸和草酸存在下的乙醛酸含量

采用反相高效液相色谱分离测定了乙醇酸和草酸共存下乙醛酸的含量。色谱柱为Hy-persil ODS-C18柱(4.6 mm×100 mm,5μm),流动相为乙腈-水,检测波长为210 nm。探讨了流动相的pH及其配比对分离度和灵敏度的影响。以峰面积对乙醛酸浓度(g.L-1)作图所得校正曲线的线性回归方程为Y=1.934×103X+0.067×103(r=0.999 9),方法的检出限(2S/N)为5×10-7g.L-1。方法的测定回收率为98.1%~100.4%,相对标准偏差为0.4%。     

INTERACTIONS OF COBALT(II) TETRASULFOPHTHALOCYANINE WITH NITRITE IN THE PRESENCE OF NITRATE AND PERCHLORATE IONS

Abstract

Spectroscopic changes observed on addition of nitrite to solutions of cobalt(II) tetra-sulfophthalocyanine ([Co(II)TSPc]^4-) in the presence of N^? ₃ or ClO^? ₄ are reported. There is spectroscopic evidence for the oxidation of [Co(II)TSPc]^4- to a [Co(III)TSPc]^3- species in the presence of nitrite ions. Equilibrium and kinetic studies for the interaction between [Co(II)TSPc]^4- and NO^? ₂ are reported. The rate was found to be first order in both [Co(II)TSPc]^4- and NO^? ₂. The rate constant for the forward reaction, k _f=1.6 × 10^?4 dm³mol^?1s^?1 was determined at 20°C for the interaction between nitrite ions and [Co(II)TSPc]^4- in the presence of NO₃ ^? or ClO₄ ^? ions.     

超细钴掺杂二氧化钛的制备、表征及气相光催化性能

以四氯化钛为原料、硝酸钴为掺杂剂,制备了粒径10 nm～30 nm的钴掺杂超细二氧化钛并进行了XRD、TEM和FT-IR表征及气相光催化性能的评价。钴掺杂造成了锐钛矿向金红石相的转变温度明显降低,掺杂量从0增加到4%时,相变温度下降了90 ℃左右。制备过程中的pH值对相变也有影响,pH值很小时相变在较低的温度下就能发生。当pH<3,500 ℃焙烧的样品中就基本是金红石型TiO2;红外光谱分析证明掺杂样品比纯样品有更强的吸水性;以苯作为反应物在一个固定床光反应器中考察了钴掺杂二氧化钛的光催化活性。结果表明,钴掺杂对催化剂的光催化性能有影响。反应初期掺杂样品与纯二氧化钛样品相比活性相差不大,但随着反应的进行活性差别逐渐增大。在实验条件下160 min后纯样品基本失活,掺杂样品的活性仍大于50%。     

在涂层TiO2改性铜催化剂上甲醇脱氢制甲酸甲酯

在常压和２５０℃下，考察了涂层ＴｉＯ２改性铜催化剂上甲醇脱氢生成甲酸甲酯的活性和选择性以及催化剂的稳定性。结果表明，涂层ＴｉＯ２明显提高了铜催化剂的活性和稳定性。在所考察的铜催化剂中，以Ｃｕ／ＴｉＯ２／ＡｌＯ３的催化活性最高，甚至高于离子交换法制备的Ｃｕ（ｅｘ）／ＳｉＯ２催化剂。ＸＰＳ分析表明，Ｃｕ／ＴｉＯ２／ＡｌＯ３中存在着两种化学环境不同的ＣＵ（０），即负载在ｒ－ＡＬＯ３和ＴｉＯ２－Ａｌ２Ｏ３     

SYNTHESIS OF ALKYL- AND ARYLPHOSPHONIC ACID MONOESTERS BY DIRECT ESTERIFICATION OF DIBASIC PHOSPHONIC ACIDS IN THE PRESENCE OF AN ARSONIC ACID CATALYST

Partial hydrolysis of a diester, hydrolysis of the monochloro monoester, or alcoholysis of a phosphonic acid anhydride generally is used to prepare monoesters of alkyl- and arylphosphonic acids. Limited cases have been reported for the esterification of a dibasic phosphonic acid to yield the monoester, and none of these methods are as simple as the analogous method for preparing carboxylic acid esters, in which the carboxylic acid is esterified with an alcohol in the presence of an acid catalyst. Described is a method for preparing monoesters of alkyl- and arylphosphonic acids by direct esterification with an alcohol in the presence of a catalytic amount of phenylarsonic acid. The water formed during the reaction is removed azeotropically. For example, methylphosphonic acid was esterified in good yield to give its isopropyl, butyl, cyclohexyl, bornyl, and octadecyl monoesters. Similarly prepared are the ethyl, butyl, hexyl, and 2-(ethylthio)ethyl monoesters of phenylphosphonic acid, as well as 2-isopropoxyethyl hydrogen ethylphosphonate and 2-methoxyethyl hydrogen benzylphosphonate.