Si掺杂TiO2催化剂的结构与可见光催化活性研究

采用溶胶-凝胶法制备出Si⁴⁺离子掺杂的TiO₂可见光催化剂 (TiO₂-xSi),该催化剂的可见光催化活性高于纯TiO₂和N掺杂的TiO₂(TiO₂-N).利用XRD、XPS、FT-IR和UV-Vis DRS等表征技术,研究了TiO₂-xSi催化剂的晶体结构、能带结构和表面性质.研究发现:掺入Si⁴⁺离子在TiO₂粒子表面主要形成Ti-O-Si结构,并在导带下0.2-0.6 eV区域形成表面态能级,该表面态能级的存在是催化剂产生可见光响应、实现可见光催化的根本原因.另外,讨论了Si⁴⁺离子的掺杂对金红石相和晶粒的生长抑制作用,以及催化剂的比表面积和表面羟基物种增加对可见光催化活性的影响.     

TiO2纳米粒子膜的制备、表面态性质和光催化活性

在酸性和碱性条件下,用TiCl4水解法制备了TiO2纳米粒子膜催化剂.采用原子力显微镜(AFM),X射线衍射(XRD),表面光电压谱(SPS)和场诱导表面光电压谱(EFISPS)测定了催化剂表面的微结构及能级结构.对催化剂进行了光催化降解苯酚实验,测定了其光催化活性.结果表明,酸性条件下制备的TiO2膜催化剂的光催化活性较高,其结果接近于P25.用能带理论解释了TiO2纳米粒子膜催化剂光催化活性的差异,分析了膜厚对光催化活性的影响.     

Pr3+掺杂的TiO2纳米粉体的表面特性和光催化活性

利用酸催化的溶胶-凝胶法制备了纯的和不同Pr³⁺掺杂量的TiO₂纳米粉体.以亚甲基蓝(MB)溶液的光催化降解为探针反应,评价了它们的光催化活性.利用XRD和BET技术研究了Pr³⁺掺杂量和焙烧温度对TiO₂纳米粉体的相结构、晶粒尺寸和表面织构特性的影响,并用XPS和SPS技术研究了Pr³⁺掺杂的TiO₂纳米粉体的表面组成和表面光伏特性,探讨了Pr³⁺掺杂提高纳米TiO₂的光催化活性的机制.结果表明:适量Pr³⁺掺杂能显著提高纳米TiO₂的光催化活性.当Pr³⁺掺杂量为1.25%(以Pr³⁺/TiO₂质量比计),焙烧温度为600℃时,制得粉体的光催化活性最佳.Pr³⁺掺杂强烈地抑制TiO₂由锐钛矿相向金红石相的转变,减小晶粒尺寸,增大比表面积,增加表面羟基和吸附氧的含量,提高光生电子和空穴的分离效率,改善粉体表面的光吸收性能,上述因素均有利于光催化活性的提高.     

F离子掺杂TiO2的性能研究

以NH₄F为掺杂剂,采用溶胶-凝胶法制备F离子掺杂型TiO₂光催化剂,对其进行XRD、XPS和PL表征,结果表明,F离子掺杂TiO₂由于Ti-F配位体的形成而能抑制金红石相的生成,同时F离子掺杂能增加TiO₂表面缺陷浓度并降低Ti_2P键的结合能,另外,由于F离子能取代Ti-OH配位体而降低了表面羟基氧浓度.光催化研究结果表明,F离子掺杂提高了TiO₂光催化活性近1.5倍.     

Fe3+掺杂TiO2/凹凸棒复合光催化剂的制备和光催化活性

用酸催化溶胶-凝胶法制备了Fe³⁺掺杂TiO₂/凹凸棒（Fe³⁺-TiO₂/ATP）复合光催化剂,对其结构、微观形貌、光吸收性能和可见光下的光催化性能进行了表征。XRD和TEM测试结果表明,Fe³⁺-TiO₂/ATP具有较好的热稳定性,经450 ℃热处理后的ATP晶体结构基本保持不变,锐钛矿TiO2均匀的分布在ATP表面,TiO2颗粒之间无团聚,且平均粒径小于纯TiO₂。UV-Vis-DRS测试结果表明,Fe³⁺的掺杂可明显增强复合光催化剂对可见光的吸收,光响应范围拓展到了整个紫外-可见光区。在可见光下,Fe³⁺-TiO₂/ATP复合光催化剂对亚甲基蓝具有很好的催化降解活性。Fe³⁺-TiO₂/ATP的反应速率常数分别为TiO₂/ATP、P25和纯TiO2的1.37、4.83和6.51倍。复合光催化剂的沉降性能优于纯TiO2和P25,易于分离。     

钒离子掺杂对TiO2光催化剂薄膜催化活性的影响

采用溶胶凝胶工艺在普通玻璃表面制备了钒离子非均匀掺杂的TiO2薄膜,运用XRD研究了其光催化复合薄膜的表面特征.以光催化降解甲基橙溶液为模型反应,表征薄膜的光催化活性,结果表明,将钒离子富集在TiO2薄膜内部时,最佳掺杂浓度为1.0%(V/Ti原子百分比),最佳降解表观速率常数为7.44×10-3min-1,约是纯TiO2的2.3倍,有效地提高了TiO2半导体的光催化效率.通过XPS与电化学方法进行分析,说明将钒离子富集在TiO2薄膜内部十分有利于电子-空穴的分离,增强了光生电子与空穴的分离效率.     

掺镧多孔TiO2纳米晶表面电子结构与能量转换机制

采用溶胶-凝胶法制备多孔掺镧纳米晶二氧化钛样品.结合光声与表面光伏技术,研究样品的光声和表面光伏特性.分析认为,掺镧后在表面上富集的La-O-Ti化合物形成的施主态活性中心吸附氧和H2O分子后生成的活性氧和羟基,导致了吸附表面光激发电荷转移跃迁的催化光反应(sensitized photoreaction)机制.实验证实,适当的镧掺杂不仪可以增强样品的表面光伏特性,而且可以有效地抑制非辐射跃迁的发生,提高光量子效率.实验在指认与样晶非辐射退激有关的电荷转移跃迁过程的同时,证实非辐射跃迁过程与样品表面是否生成活性氧和羟基活性中心无关.     

掺镧多孔TiO2纳米晶表面电子结构与能量转换机制

采用溶胶-凝胶法制备多孔掺镧纳米晶二氧化钛样品. 结合光声与表面光伏技术, 研究样品的光声和表面光伏特性. 分析认为, 掺镧后在表面上富集的La-O-Ti化合物形成的施主态活性中心吸附氧和H2O分子后生成的活性氧和羟基, 导致了吸附表面光激发电荷转移跃迁的催化光反应(sensitized photoreaction)机制. 实验证实, 适当的镧掺杂不仅可以增强样品的表面光伏特性, 而且可以有效地抑制非辐射跃迁的发生, 提高光量子效率. 实验在指认与样品非辐射退激有关的电荷转移跃迁过程的同时, 证实非辐射跃迁过程与样品表面是否生成活性氧和羟基活性中心无关.     

介孔掺镧纳米晶TiO2瞬态光伏与表面光声特性

结合瞬态光伏与表面光声技术, 研究介孔掺镧nano-TiO2光生载流子分离与复合过程及其能量转换机制. 结果表明: 锐钛矿中两种不同光伏特性的缺陷态具有光生载流子扩散距离短, 复合速度快的特点; 镧掺杂增加体缺陷态对于光伏效应的贡献, 但在某种程度上抑制主带隙的电荷分离; 模板剂种类对于主带隙电子-空穴对的分离与复合过程, 以及亚带隙无辐射跃迁引起的晶格振动均有显著的影响. 结果证实了样品表面光声与瞬态光伏现象之间存在明显的能量互补关系.     

In离子掺杂二氧化钛纳米管可见光催化活性的研究

采用两步预掺杂方法制备出In离子掺杂二氧化钛纳米管可见光催化剂. 可见光催化降解对氯苯酚实验证明: 掺杂In离子量为3%的TiO2纳米管可见光活性最高, 是纯TiO2纳米管的2倍以上. X射线衍射(XRD), X光电子能谱(XPS)和表面光电压谱(SPS)结果表明: 当In离子掺杂浓度较小时, In离子取代晶格Ti的位置形成InxTi1－xO2取代式掺杂结构. In离子的掺杂能级与Ti离子的3d轨道形成混合价带, 使禁带宽度变窄, 增强了可见光响应. 随着In离子掺杂浓度的增加, 同时在InxTi1－xO2纳米管表面生成In2O3, 形成InxTi1－xO2/In2O3纳米管复合结构. 该复合结构有效地增加可见光响应, 促进了光生载流子的分离, 提高了光生载流子在固/液界面参加光催化反应的利用率, 使纳米管催化剂可见光催化活性显著提高.