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。     

表面光催化基元反应研究进展

在过去的二十年里,人们对半导体光催化剂表面所发生的光催化产氢和有机物降解等反应进行了广泛的研究.尤其是在超高真空条件下,利用不同的表面科学方法对不同种类的小分子在TiO_2表面的光催化反应机理进行了细致的研究,深化了对光催化过程中所发生的基元反应的认知.本文主要综述了几种重要的小分子(水、甲醇和醛类)在不同TiO_2表面的光催化反应机理的最新研究进展,这些研究结果不仅加深了对表面光催化基元过程的认识,还将促使该领域衍生出新的研究方向.在这些结果的基础上,本文提出了一种基于动力学的光催化模型.     

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（英文）

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400nm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.     

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。     

TiO_2表面NiO光催化活性中心的构建及其光催化析氢性能研究

本文采用离子快速注入法,在低温条件下利用微量NiO物种对TiO_2光催化剂表面微结构进行了修饰和改性,构建了NiO光催化反应活性中心。研究结果表明,Ni物种是以TiO_2-NiO-H形式存在于TiO_2表面;相对于未修饰的TiO_2光催化剂,NiO的修饰很大程度上提高了其光催化析氢性能,在最佳条件下,放氢速率由1.1μmol·h~(-1)提高到241.4μmol·h~(-1)。另外,Ni物种含量,热处理温度,乙醇电子给体浓度,催化剂悬浮浓度对光催化析氢性能也有明显的影响。光电化学实验结果表明,NiO的表面修饰能够产生有效的光催化反应活性中心,增强了光生电子-空穴电子对的分离效果。所制备的光催化剂采用X射线粉末衍射(XRD),光电子能谱(XPS)等技术进行表征。     

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。     

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（英文）

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CO_2.作为研究最广泛的光催化剂,TiO_2在应用中通常有锐钛矿(ATiO_2)和金红石(RTiO_2)两种物相,但单物相TiO_2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TiO_2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ATiO_2,RTiO_2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)/ATiO_2(101)/RTiO_2(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CO_2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.     

金红石/锐钛矿混晶结构的TiO2薄膜光催化活性

采用磁控溅射法制备出一组金红石/锐钛矿混晶结构的纳米TiO2薄膜催化剂,并通过光催化降解苯酚实验考察该薄膜的催化性能.光催化实验证明,随着催化剂中金红石含量减少,催化剂的光催化活性逐渐提高.X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、表面光电压谱(SPS)和原子力显微镜(AFM)结果表明,催化剂为金红石和锐钛矿混晶结构,并随着金红石含量减少,催化剂的表面羟基(OH)和桥氧(-O-)的含量逐渐增加,而且费米能级逐渐提高.表面羟基和桥氧是有利于光催化的"活性物种";费米能级的提高使TiO2/H2O界面处TiO2的表面带弯增大,导致了价带光生空穴参加光催化反应的几率增大,有效地促进了光生载流子的分离;这些因素是催化剂光催化活性逐渐提高的主要原因.     

金红石/锐钛矿混晶结构的TiO2薄膜光催化活性

采用磁控溅射法制备出一组金红石/锐钛矿混晶结构的纳米TiO2薄膜催化剂,并通过光催化降解苯酚实验考察该薄膜的催化性能. 光催化实验证明, 随着催化剂中金红石含量减少, 催化剂的光催化活性逐渐提高. X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、表面光电压谱(SPS)和原子力显微镜(AFM)结果表明, 催化剂为金红石和锐钛矿混晶结构, 并随着金红石含量减少, 催化剂的表面羟基(OH)和桥氧(—O—)的含量逐渐增加, 而且费米能级逐渐提高. 表面羟基和桥氧是有利于光催化的“活性物种”; 费米能级的提高使TiO2/H2O 面处TiO2的表面带弯增大, 导致了价带光生空穴参加光催化反应的几率增大, 有效地促进了光生载流子的分离; 这些因素是催化剂光催化活性逐渐提高的主要原因.     

CO_3O_4/SrTiO_3光催化分解水制氢的研究

本文报道了利用掺有Co_3O_4的SrTiO_3多晶粉末进行光催化分解水制氢的研究结果。其中着重考察了光催化剂的预处理和反应液OH~-浓度等因素对催化活性的影响;同时利用表面光电压谱(SPV)技术和ESR对光催化剂的表面光-伏性质、电子性质进行了研究.并注意从SrTiO_3的能带结构考虑,借助于表面态的概念,对光催化机制进行了初步的探讨。     

CO3O4/SrTiO3光催化分解水制氢的研究

本文报道了利用掺有Co_3O_4的SrTiO_3多晶粉末进行光催化分解水制氢的研究结果。其中着重考察了光催化剂的预处理和反应液OH~-浓度等因素对催化活性的影响; 同时利用表面光电压谱(SPV)技术和ESR对光催化剂的表面光-伏性质、电子性质进行了研究。并注意从SrTiO_3的能带结构考虑, 借助于表面态的概念, 对光催化机制进行了初步的探讨。     

表面相结结构在促进光催化电荷分离中的应用（英文）

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.     

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.     

C–Cl共掺杂TiO_2/凹凸棒复合催化剂的制备及其可见光催化性能（英文）

TiO_2光催化剂具有无毒、物理化学性质稳定及光催化活性较高等优点,因而在能源及环境净化等领域备受关注.但是,TiO_2纳米颗粒作为催化剂仍存在以下不足:(1)TiO_2带隙较宽,只能吸收利用太阳光能的紫外光部分,而照射到地球表面的太阳光大部分为可见光;(2)光生载流子(电子/空穴)的复合使得光催化活性不高;(3)纳米催化剂的回收利用困难;(4)单独使用TiO_2,成本较高;(5)针对低浓度有机污染,常见TiO_2催化剂比表面积较小,吸附富集能力较差,导致光催化降解效率较低.TiO_2自身这些缺陷大大限制了其进一步的实际应用.针对上述这些问题,我们在本研究中设计了一种简便易行的溶胶凝胶法,在较低的温度(70℃)下合成了非金属C-Cl共掺杂的TiO_2/凹凸棒(TiO_2/ATT)复合催化剂.XRD及HRTEM分析证明,通过调节反应溶液的pH可以分别合成含锐钛矿/金红石、锐钛矿/金红石/板钛矿的两相和三相的混合相TiO_2,且锐钛矿/金红石比例可以通过改变pH而进行调节.XPS分析证明,C和C1同时成功掺进TiO_2/ATT复合催化剂.UV-Vis漫反射结果显示,非金属C和C1的掺杂使得所合成复合催化剂的光吸收性能明显拓展到可见光区,因而可以充分利用可见光能进行有机污染物催化降解,而ATT作为TiO_2的载体,减少了TiO_2使用量,改善了TiO_2的表面特性和孔结构,且有利于光催化剂的回收利用.以酸性红G为目标有机污染物,在可见光照射下对复合催化剂的可见光催化活性进行了测试.结果表明,当合成反应体系的pH值为3.0时,所获得的锐钛矿/金红石/板钛矿三相TiO_2/ATT复合催化剂具有良好的可见光吸收特性,其可见光催化活性远远高于市售P25型TiO_2,对难降解的酸性红溶液G具有优异的脱色效果和良好的TOC去除性能.循环光催化实验和FTIR表征结果表明,在5次循环利用后,TiO_2/ATT复合催化剂仍表现出很高的催化活性,表明其稳定性优异.荧光分析和自由基捕获实验表明,光催化降解反应中的主要活性物种是羟基自由基、空穴和超氧自由基.TiO_2/ATT复合催化剂高效稳定的可见光催化性能主要归因于:(1)非金属C和Cl的共掺杂改善了其可见光吸收性能;(2)催化剂中的TiO_2由金红石、锐钛矿和板钛矿混合相组成,有利于抑制光生载流子的复合;(3)多孔结构的ATT作为载体提高了TiO_2的比表面积,增加了反应活性位,同时改善了孔结构,从而有利于模拟有机污染物(酸性红G)分子的吸附和降解,有利于反应产物扩散,从而提高了催化剂的可见光催化效率.     

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.     

{111}晶面暴露对介孔金红石TiO_2单晶光催化产氢的促进作用（英文）

光催化反应发生在半导体材料的表面,材料表面的原子/电子结构直接影响光催化剂的活性或选择性.因此,发展具有特定晶面的半导体光催化剂受到各国学者的普遍关注,被认为是调控光催化材料性能的有效途径之一.自2008年yang等首次合成高表面能{001}晶面占优的锐钛矿Ti O2单晶以来,控制合成暴露不同晶面Ti O2晶体的研究得到了迅猛的发展,已发展了多种方法合成了具有不同晶面的Ti O2晶体.研究表明,选择性地暴露特定的活性晶面能够显著地提高光催化剂的活性或者改变光催化反应的选择性.但是,含有完整晶面构型的Ti O2单晶样品的颗粒尺寸一般都较大,通常为几微米,因而显著增加了光生载流子传输与分离的难度,并且导致材料较小的比表面积,限制了对光催化活性的进一步提高.能否在合成含特定晶面单晶的同时增加多孔结构成为有效解决这一问题的关键.最近,Crossland等采用晶种模板法成功合成了介孔的锐钛矿Ti O2单晶,并且通过光电器件研究证实了采用该思路可进一步提高材料的光电性能.金红石Ti O2在光催化全分解水方面具有独特的优势,然而关于多孔单晶金红石Ti O2的研究相对较少,尤其是合成热力学不稳定的高表面能{111}晶面完全暴露的多孔金红石单晶面临较大的技术挑战因而一直未见文献报道.本文利用晶种模板法,以Ti Cl4溶液为含Ti前驱体、Na F为形貌控制剂、采用水热处理制备出不同比例{111}晶面的介孔金红石单晶.我们前期工作表明,Na F可作为形貌控制剂合成低表面能{110)晶面占优的介孔金红石单晶.本文发现,通过改变Na F的添加量,可有效调变{111}/{110}晶面比例,最终合成完全暴露{111}高表面能的介孔金红石Ti O2单晶.扫描电镜结果显示,当添加20 mg NaF时,合成{110}占优的具有高长径比的介孔晶体;当Na F用量增加到40 mg时{110}晶面进一步缩短;至80 mg时则制备出{111})高能面完全暴露的金红石Ti O2晶体.值得注意的是,对比研究表明,不采用模板合成了与多孔晶体完全相对应的不同{111}/(110}晶面比例的实心金红石晶体.透射电镜及选区电子衍射以及结合X射线衍射进一步证实,多孔的金红石Ti O2晶体与实心金红石单晶均都为单晶结构,孔结构贯穿于样品内部且具有较高的晶面结晶性.氮气吸附实验发现,虽然三个不同晶面比例介孔金红石单晶样品间的形貌具有显著的差异,但比表面积非常相近(分别为24,25,28 m2/g),孔径也都为50 nm左右,该值与所用SiO 2模板球的直径以及TEM观察结果相一致.光催化产氢性能结果表明,选择性的暴露活性晶面显著提高了光催化活性,仅含高能面{111}的介孔金红石单晶样品具有最高的产氢速率(约800μmol h–1 g–1),比常规{110}晶面占优的介孔单晶样品速率提高了约一倍.尤其比实心单晶样品的产氢速率提高了至少一个数量级,这应归结于介孔结构特性所导致的表面反应活性位增加、电子传输距离缩短以及光吸收增强协同作用的结果.     

{111}晶面暴露对介孔金红石TiO2单晶光催化产氢的促进作用

光催化反应发生在半导体材料的表面,材料表面的原子/电子结构直接影响光催化剂的活性或选择性。因此,发展具有特定晶面的半导体光催化剂受到各国学者的普遍关注,被认为是调控光催化材料性能的有效途径之一。自2008年yang等首次合成高表面能{001}晶面占优的锐钛矿TiO2单晶以来,控制合成暴露不同晶面TiO2晶体的研究得到了迅猛的发展,已发展了多种方法合成了具有不同晶面的TiO2晶体。研究表明,选择性地暴露特定的活性晶面能够显著地提高光催化剂的活性或者改变光催化反应的选择性。但是,含有完整晶面构型的TiO2单晶样品的颗粒尺寸一般都较大,通常为几微米,因而显著增加了光生载流子传输与分离的难度,并且导致材料较小的比表面积,限制了对光催化活性的进一步提高。能否在合成含特定晶面单晶的同时增加多孔结构成为有效解决这一问题的关键。最近, Crossland等采用晶种模板法成功合成了介孔的锐钛矿TiO2单晶,并且通过光电器件研究证实了采用该思路可进一步提高材料的光电性能。金红石TiO2在光催化全分解水方面具有独特的优势,然而关于多孔单晶金红石TiO2的研究相对较少,尤其是合成热力学不稳定的高表面能{111}晶面完全暴露的多孔金红石单晶面临较大的技术挑战因而一直未见文献报道。本文利用晶种模板法,以TiCl4溶液为含Ti前驱体、NaF为形貌控制剂、采用水热处理制备出不同比例{111}晶面的介孔金红石单晶。我们前期工作表明, NaF可作为形貌控制剂合成低表面能{110)晶面占优的介孔金红石单晶。本文发现,通过改变NaF的添加量,可有效调变{111}/{110}晶面比例,最终合成完全暴露{111}高表面能的介孔金红石TiO2单晶。扫描电镜结果显示,当添加20 mg NaF时,合成{110}占优的具有高长径比的介孔晶体;当NaF用量增加到40 mg时{110}晶面进一步缩短;至80 mg时则制备出{111})高能面完全暴露的金红石TiO2晶体。值得注意的是,对比研究表明,不采用模板合成了与多孔晶体完全相对应的不同{111}/(110}晶面比例的实心金红石晶体。透射电镜及选区电子衍射以及结合X射线衍射进一步证实,多孔的金红石TiO2晶体与实心金红石单晶均都为单晶结构,孔结构贯穿于样品内部且具有较高的晶面结晶性。氮气吸附实验发现,虽然三个不同晶面比例介孔金红石单晶样品间的形貌具有显著的差异,但比表面积非常相近(分别为24,25,28 m2/g),孔径也都为50 nm左右,该值与所用SiO2模板球的直径以及TEM观察结果相一致。光催化产氢性能结果表明,选择性的暴露活性晶面显著提高了光催化活性,仅含高能面{111}的介孔金红石单晶样品具有最高的产氢速率(约800μmol h–1 g–1),比常规{110}晶面占优的介孔单晶样品速率提高了约一倍。尤其比实心单晶样品的产氢速率提高了至少一个数量级,这应归结于介孔结构特性所导致的表面反应活性位增加、电子传输距离缩短以及光吸收增强协同作用的结果。     

氢处理二氧化钛的光催化性能及电化学阻抗谱

通常可通过物理（浸渍法等）、化学方法（溶胶 -凝胶 ,电化学沉积法等）向光催化剂晶格中引入金属“小岛” ,以加速光生电子 -空穴的转移 ,提高改性后光催化剂的活性 [1].同时 ,运用物理和光电化学等手段研究半导体光催化剂的表面性质和光电化学性质 ,可以为评价这些改性光催化剂的活性和研究反应机理提供依据 [2,3].电化学阻抗谱 (EIS)方法是研究材料性质、化学 (特别是电化学 )过程和界面反应机理的有力工具 [4].本工作运用 EIS手段研究了纳米 TiO_2在氢气气氛下热处理后 TiO_2的阻抗谱特征同其光催化活性之间的关系 .1实验部分　　…     

TiO2晶型对Au/TiO2上光催化分解臭氧的影响

以不同晶型TiO2为载体,采用沉积-沉淀法制备了Au/TiO2光催化剂,并用紫外-可见漫反射光谱、X射线光电子能谱(XPS)和表面光电压谱(SPS)等手段进行了催化剂表征,详细考察了Ti O2晶型对Au/TiO2光催化分解臭氧活性的影响.结果表明,光催化分解臭氧的活性顺序为Au/P25>Au/Anatase>Au/Rutile,这与不同的单一Ti O2对光催化臭氧分解的活性顺序是一致的.但在TiO2上沉积金后,其对光催化臭氧的分解活性有了显著的提高.由催化剂的Au4fXPS分析发现,不同晶型Ti O2上的电荷向金簇迁移的能力有明显差异,加之载体本身对光催化臭氧分解活性不同,两者协同作用导致负载金催化剂光催化分解臭氧活性的不同.SPS信号强度与催化剂光催化活性有很好的对应关系,SPS信号越强,光生电子和空穴分离效率越高,光催化活性越好.     

棒状金属有机框架结构PCN-222(Cu)/TiO_2复合材料的制备及其高效光催化CO_2还原性能（英文）

受环境污染和能源短缺的双重压迫,光催化CO_2还原技术引起了人们的广泛关注。低成本光催化材料的开发对于实现有效的太阳能-燃料转换至关重要。TiO_2作为光催化剂在光催化CO_2还原中被广泛采用。然而,较宽的禁带宽度和光生载流子的复合限制了它的进一步应用。在这项工作中,我们使用棒状PCN-222(Cu)/TiO_2复合材料作为光催化剂,使用简单的水热法报告了二氧化碳的光化学还原。经过对PCN-222(Cu)/TiO_2进行一系列X射线衍射(XRD),扫描电子显微镜(SEM),紫外-可见漫反射光谱(DRS),傅里叶变换红外光谱(FT-IR),光电化学(PEC)和光致发光光谱(PL)等表征结果证明成功制备了该复合材料。SEM证实,TiO_2颗粒均匀分布在棒状PCN-222(Cu)/TiO_2的表面上。XRD结果表明,成功制备了具有良好晶体结构的PCN-222(Cu)和PCN-222(Cu)/TiO_2复合光催化剂。DRS显示制备的PCN-222(Cu)/TiO_2复合材料在可见光区域出现金属卟啉的特征吸收峰。PL和瞬态光电流响应和电化学阻抗谱(EIS)进一步证实了棒状PCN-222(Cu)/TiO_2具有更好的电子-空穴对分离效率。通过控制PCN-222(Cu)和TiO_2的质量比,经CO_2还原性能测试表明,10%PCN-222(Cu)/TiO_2复合材料具有最佳的催化活性。在氙灯照射下,棒状PCN-222(Cu)/TiO_2表现出比TiO_2纳米颗粒更好的光催化CO_2活性,这归因于电荷传输和较好的电子-空穴分离能力。10%PCN-222(Cu)/TiO_2复合材料的催化效率最高,产率分别为13.24μmol·g~(-1)·h~(-1) CO和1.73μmol·g~(-1)·h~(-1)CH_4。此外,经过三个循环的测试,PCN-222(Cu)/TiO_2光催化剂的催化活性基本保持不变,在连续8小时光照下,催化剂的还原产率持续增加,表明PCN-222(Cu)/TiO_2复合材料具有好的稳定性。禁带宽度和Mote-Schottky (M-S)曲线结果表明,PCN-222(Cu)的LUMO位比TiO_2的导带(CB)更负,因此提出了PCN-222(Cu)/TiO_2复合材料可能的光催化反应机理。该研究为金属有机骨架和氧化物半导体复合材料光催化体系提供了新的策略。