有序介孔TiO2的合成及光解水产氢应用

二氧化钛(TiO₂)材料由于其低成本、 天然丰度高、 对环境友好、 具有良好的化学稳定性和优异的光学性能越来越受到关注. 其中, 有序介孔TiO₂材料因其高比表面积、 大的孔体积、 可调的孔结构和形态, 在物理、 化学和材料科学等方面得到广泛应用. 本文总结了通过合理控制钛前体水解和交联速率合成有序介孔TiO₂材料的重要进展, 同时讨论了其在光催化分解水产氢方面的应用, 并对该领域的发展趋势和所面临的挑战提出了展望.     

表面稳定单质铜的介孔二氧化钛的光催化产氢性能

采用十二烷基硫醇作为保护剂有效地稳定住了光催化过程中介孔二氧化钛(m-TiO₂)表面原位生成的Cu⁰物种。通过X射线衍射,X射线光电子能谱,高分辨透射电镜,高角环形暗场扫描透射电镜等手段对催化剂的组成结构进行了表征,发现催化剂中仅有Cu⁰物种存在。在紫外光照射下,以甲醛水溶液为牺牲试剂测试了Cu⁰物种对介孔二氧化钛产氢性能的影响,发现适量的Cu⁰纳米颗粒能够极大地提高介孔二氧化钛的产氢性能。当Cu⁰的物质的量分数为1.0%时,Cu⁰/m-TiO₂表现出最高的产氢速率,为725μmol·h^-1·g^-1。该样品中Cu⁰纳米颗粒的尺寸为(4.2±0.9)nm。此外,通过气相色谱检测到产生的H₂和CO₂的物质的量之比为2:1,表明部分氢气来自于水分解。     

抗生素废水中的光催化:污染物降解和产氢综述（英文）

近些年来,关于抗生素药物的研究越来越多.在1998-2018的20年间,共计发表了超过5000篇关于抗生素废水处理的研究论文.其中,由于绿色环境友好型的特点,光催化降解抗生素废水成为一个新的研究热点而备受关注.本文总结了近些年来的光催化技术在抗生素废水中应用的研究进展,包括抗生素废水的降解以及转化抗生素废水产氢.对于常用的催化剂材料体系也同样进行了讨论.所涉及到的抗生素主要包含了四种常见的种类,分别是四环素类,磺胺类,β-内酰胺类以及喹诺酮类抗生素.此外,本文还列出了光催化在抗生素废水中的未来发展与挑战的前景,特别是在光催化转化抗生素废水制氢方面.在光催化氧化去除抗生素的研究中,早期的催化剂体系以TiO₂基氧化物体系为主.然而,随着研究的深入, TiO₂基催化剂材料一般只能响应紫外光,将极大限制其在未来的工业化应用中.人们致力于开发新的可响应可见光甚至远红外光的材料体系.而硫化物以及氮化物基材料可以满足在可见光实现光催化抗生素废水的降解.然而,由于这两类催化剂材料的价带位置过高,氧化能力不足,在可见光下的降解效果也有限.铋系材料则同时可以解决...     

CdTiO_3纳米棒的可控制备及光催化产氢性能

以钛-乙二醇配合物纳米棒为模板,结合湿浸渍焙烧法制备了不同长度的钛酸镉(CdTiO3)纳米棒.采用扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、广角X射线粉末衍射仪(XRD)、傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)、热重分析仪(TG)及紫外-可见光谱仪(UV-Vis)等对前驱体及CdTiO3纳米棒进行了表征.结果表明,得到的CdTiO3纳米棒长度分别约为50,20和10μm,且无杂相,晶化度高,尺寸均一.负载1%(质量分数)铂作为助催化剂后,制备的不同长度CdTiO3纳米棒具有比CdTiO3纳米粒子更高的光催化产氢活性.其中,最长的CdTiO3纳米棒具有最高的产氢活性(~52.9μmol/h).     

纳米TiO2光催化降解聚乙二醇反应

纳米TiO2光催化降解聚乙二醇反应;纳米二氧化钛; 光催化; 聚乙二醇     

Pd增强缺陷态TiO2纳米管阵列的光催化产氢性能

通过光还原沉积法, 利用氧空位诱导作用, 在Ni掺杂的缺陷态TiO₂纳米管阵列(TNT-Ni)上得到金属 Pd含量不同的Pd-TNT-Ni催化剂. 采用场发射扫描电子显微镜(SEM)、 X射线光电子能谱(XPS)、 紫外-可见 漫反射(UV-Vis DRS)、 表面光电压(SPV)、 光致发光光谱(PL)和电化学测试等表征手段, 探究了Pd与Ni掺杂的缺陷态TiO₂纳米管阵列之间的强相互作用对其光吸收特性和载流子分离及传输效率的影响, 阐明了强相互 作用对材料光催化活性的调控机理, 提出了Pd增强Pd-TNT-Ni光催化性能的作用机理. 结果表明, 通过光还 原法制备的Pd纳米颗粒尺寸为10~20 nm的Pd₁₂₀-TNT-Ni样品的光响应值为4.22 mA/cm², 是未负载Pd样品光 响应值(1.14 mA/cm²)的3.7倍, 其具有最佳的平均产氢速率(5.16 mmol·g^?1·h^?1), 是TNT样品平均产氢速率 (0.45 mmol·g^?1·h^?1)的12倍, 表明Pd与缺陷态TiO₂纳米管阵列之间的强相互作用驱动了载流子的分离及传输, 且Pd作为电子捕获势阱及反应活性位点, 显著提高了材料的光催化性能.     

S-Scheme异质结光催化产氢研究进展（英文）

随着不可再生能源的大量消耗,能源短缺成为人类社会面临的重大挑战。在众多新能源制备技术中,光催化分解水制氢技术只需丰富的太阳能作为驱动力就可以实现分解水制氢,且制氢条件温和、绿色无污染,被认为是解决当前能源短缺危机的有效技术之一。光催化制氢技术的核心是光催化剂,因此发展高效稳定的光催化剂至关重要。然而,单组分光催化剂由于空穴-电子复合速度快、氧化还原能力有限、太阳能利用效率低等原因,通常只能呈现出有限的光催化分解水制氢活性。为此,科研人员做了大量改性研究,其中常见的改性策略有元素掺杂、助催化剂修饰、构建异质结等。通常,元素掺杂、助催化剂修饰等改性手段可以在一定程度上提高光催化剂的制氢活性,但并不能有效解决单相光催化剂的缺陷,导致其改性效果受到制约。然而,在两个或多个半导体之间构建异质结可以有效解决上述单组分光催化剂的缺陷。相较于当前流行的传统II型异质结和Z-型异质结,S-型异质结的电荷转移机制更为合理,受到科学家们的广泛关注与应用。因此,本文首先对S-型异质结光催化体系的发展背景进行介绍,包括传统II型异质结、全固态Z-型异质结和液相Z-型异质结光催化系统。随后对S-型异质结光催化机理...     

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.     

{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。     

羧基功能化石墨烯增强TiO2光催化产氢性能

The use of semiconductor photocatalysts (CdS, g-C₃N₄, TiO₂, etc.) to generate hydrogen (H₂) is a prospective strategy that can convert solar energy into hydrogen energy, thereby meeting future energy demands. Among the numerous photocatalysts, TiO₂ has attracted significant attention because of its suitable reduction potential and excellent chemical stability. However, the photoexcited electrons and holes of TiO₂ are easily quenched, leading to limited photocatalytic performance. Furthermore, graphene has been used as an effective electron cocatalyst in the accelerated transport of photoinduced electrons to enhance the H₂-production performance of TiO₂, owing to its excellent conductivity and high charge carrier mobility. For an efficient graphene-based photocatalyst, the rapid transfer of photogenerated electrons is extremely important along with an effectual interfacial H₂-production reaction on the graphene surface. Therefore, it is necessary to further optimize the graphene microstructures (functionalized graphene) to improve the H₂-production performance of graphene-based TiO₂ photocatalysts. The introduction of H₂-evolution active sites onto the graphene surface is an effective strategy for the functionalization of graphene. Compared with the noncovalent functionalization of graphene (such as loading Pt, MoS_x, and CoS_x on the graphene surface), its covalent functionalization can provide a strong interaction between graphene and organic molecules in the form of H₂-evolution active sites that are produced by chemical reactions. In this study, carboxyl-functionalized graphene (rGO-COOH) was successfully modified via ring-opening and esterification reactions on the TiO₂ surface by using an ultrasound-assisted self-assembly method to prepare a high-activity TiO₂/rGO-COOH photocatalyst. The Fourier transform infrared (FTIR) spectra, X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), and thermogravimetric (TG) curves revealed the successful covalent functionalization of GO to rGO-COOH by significantly enhanced ―COOH groups in FTIR and increased peak area of carboxyl groups in XPS. A series of characterizations, including X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM), transmission electron microscopy (TEM), XPS, and UV-Vis adsorption spectra, were performed to demonstrate the successful synthesis of TiO₂/rGO-COOH photocatalysts. The experimental data for the hydrogen-evolution rate showed that the TiO₂/rGO-COOH displayed an extremely high hydrogen-generation activity (254.2 μmol∙h⁻¹∙g⁻¹), which was 2.06- and 4.48-fold higher than those of TiO₂/GO and TiO₂, respectively. The enhanced photocatalytic activity of TiO₂/rGO-COOH is ascribed to the carboxyl groups of carboxyl-functionalized graphene, which act as effective hydrogen-generation active sites and enrich hydrogen ions owing to their excellent nucleophilicity that facilitates the interfacial hydrogen production reaction of TiO₂. This study provides novel insights into the development of high-activity graphene-supported photocatalysts in the hydrogen-generation field.      

二氧化钛基Z型光催化剂综述(英文)

TiO_2具有无毒、耐腐蚀、高稳定和低成本等特点,已被广泛应用于光催化领域.然而,TiO_2的禁带较宽,只能吸收仅占太阳光4%的紫外光部分,从而严重限制了TiO_2光催化材料对太阳光的有效应用.目前很多方法被用来提高TiO_2光催化效率,如金属/非金属掺杂、贵金属负载、异质结构建和与碳材料复合等,这些策略在提高光催化剂的光催化效率中,涉及到如何兼顾太阳光利用和光生空穴和电子氧化还原能力两者之间的平衡.通常,半导体禁带宽度越窄,半导体的光谱响应范围越宽、太阳光利用越多,但光生空穴和电子氧化还原能力越弱.因此,想要提高TiO_2的光催化性能,应考虑以下两个方面的平衡:即降低带隙宽度,拓展半导体的光谱响应范围;与之同时使价带电位更正,导带电位更负之间的平衡.然而,这两个点是相互矛盾的,因此很难在单组分光催化剂中同时实现这两点.然而,Z型光催化剂可以同时满足这两点要求,即:降低半导体的带隙,同时使导带更负,价带更正,因为Z光催化系统利用了两种半导体的优势,其电荷转移机制类似于自然界中绿色植物的光合作用,其中的载流子传输途径包括两步激发,类似于英文字母"Z",Z型光催化剂因此而得名.Z型光催化剂既能保留较高还原能力的光生电子和又能保留较高氧化能力的光生空穴,由于Z型光催化剂特有的优点,在光催化领域的应用越来越广泛.本文综述了TiO_2基Z型光催化剂的最新研究进展,其中包括:Z型光催化机理、应用范围和光催化活性改进方法.Z型光催化剂分为传统液相Z型光催化体系,全固态Z型光催化体系,以及最近几年发展起来的直接Z型光催化体系.它们的主要应用包括:光催化分解水产氢、二氧化碳还原制备太阳燃料、有机污染物光催化降解.论文进一步讨论了提高TiO_2基Z型光催化剂性能的方法,包括pH值调控、电子导体选择、助催化剂使用、掺杂改性、组织形貌控制、两种半导体质量比优化等.最后,提出了TiO_2基Z型光催化剂今后面临的挑战和发展前景展望.     

复合光催化剂CdS-Pt/TiO2制备及可见光光解海水制氢性能

水热法制备了单斜CdS与Pt/TiO2复合的光催化剂.通过X射线衍射、紫外-可见漫反射光谱、荧光光谱、扫描电子显微镜和BET方法对催化剂进行了表征.以可见光光解纯水和海水制氢为探针反应,考察了CdS-Pt/TiO2光催化剂的活性.结果表明:海水中无机盐的存在有利于电子给体捕获光生空穴,提高了电子和空穴的分离效果;海水中单斜CdS可转化为立方和六方混合晶相.最佳条件下,催化剂光解海水制氢活性比纯水提高了33%,而且有较高的稳定性.     

Synthesis of TiO2 on different substrates by chemical vapor deposition for photocatalytic reduction of Cr(VI) in water

TiO₂ loaded on several substrates such as carbon fiber, aluminum plate, silica plate, and glass plate was prepared using the chemical vapor deposition (CVD) method for the photocatalytic reduction of Cr(VI) in water with the presence of ethanol under Ultraviolet (UV) illumination. As‐prepared samples were characterized by X‐Ray Diffraction (XRD), X‐ray photoelectron spectroscopy (XPS), Brunauer–Emmett–Teller (BET), and scanning electron microscopy (SEM). The catalyst with TiO₂ loaded on carbon fiber possessed an extremely large surface area (1,463,91 m²/g), while the other catalysts possessed small surface areas (0.05–0.21 m²/g). The photocatalytic activity of TiO₂ loaded on carbon fiber, which was determined by the conversion of Cr(VI) and the degradation of chemical oxygen demand (COD), was much higher than that of other catalysts. The reusability of TiO₂ loaded on carbon fiber catalyst exhibited almost the same activity as the fresh catalyst. The results indicated that TiO₂ loaded on carbon fiber is feasible for practical application.     

不同染料共敏化TiO2可见光分解水产氢性能研究

以光催化还原水制氢为指标反应系统地考察了若干种染料对TiO2的共敏化作用,研究表明曙红Y(EosinY,EY)和玫瑰红(Rose Bengal,RB)对TiO2的共敏化效果最为显著,而钌染料(Ru(bipy)3Cl2,Ru)分别与EY和RB的共敏化效果则不显著或没有共敏化效应.UV-Vis吸收光谱和荧光光谱技术对染料共敏化体系的表征结果表明,在EY/RB体系中显著的共敏化效应不仅与染料对可见光的吸收增加有关,而且还与染料分子之间的荧光共振能量转移(FRET)有关,这种荧光共振能量转移可有效降低染料激发态由于荧光猝灭导致的能量损失,提高光催化产氢效率.瞬态光电流实验和单色光产氢实验结果也进一步确证了这种作用.我们的研究结果还表明,在Ru/EY和Ru/RB体系中,必须加入甲基紫精作为电子中继试剂才能使催化剂具有光催化活性.在优化的反应条件下(λ≥420 nm),EY/RB共敏化体系的产氢量子效率分别比EY和RB单一染料敏化体系提高了36.3%和215.4%.     

Pt/TiO2光诱导催化重整乙醇制氢

对无氧条件下Pt/TiO2光诱导催化重整乙醇制氢进行了系统的研究，结果表明，乙醇的光催化重整制氢反应受催化剂表面化学状态，反应体系的pH值，浓度的影响较大，而受反应体系温度的影响较小，在运动XRD，XPS，HNMR等技术手段对催化剂和反应产物进行表征，分析的基础上，提出了无氧条件下乙醇光催化重整制氢可能的反应机理。     

多种纳米结构Fe掺杂TiO2光热耦合水分解制氢研究

氧空位是材料缺陷工程的重要组成. 基于光生氧空位的直接热利用, 实现纯水分解制氢的光热耦合实验, 被认为是太阳能综合利用的有效途径. 以多种制备方法合成的TiO₂纳米材料为基础, 研究了多种形貌纳米TiO₂及其Fe掺杂改性材料的光热耦合反应能力. 通过高分辨透射电子显微镜(HRTEM)、 X射线衍射(XRD)和电子顺磁共振(EPR)对晶体特征进行表征, 利用漫反射光谱(DRS)、 光致发光(PL)和三电极测试法表征了材料的性能, 并结合密度泛函理论(DFT)计算了产氢反应路径. 研究结果表明, 溶胶-凝胶法制备的纳米颗粒相比水热法制备的纳米片及纳米线, 体相内缺陷较多, 载流子强度高, 光热耦合产氢效果较差. Fe掺杂改性扩展了光响应, 增强了载流子分离和寿命, 降低了电子传输阻抗, 利于光反应过程中光生氧空位的形成, 克服了制氢反应中的关键能垒. 同时, 纳米材料中的缺陷促进了Fe离子的有效掺杂, Fe掺杂TiO₂纳米颗粒的光热耦合平均产氢量为9.73 μmol/g, 性能提升达13倍.     

Pt/TiO2光催化分解四硼酸钾水溶液制氢

研究了以四硼酸钾溶液作反应体系，在1%Pt／TiO2光催化剂的作用下光催化分解水制氢的反应，发现该体系能使放氢速率明显提高．放氢速率还随B4O7^2-浓度的增大而增大．在此基础上，还对B4O7^2-的作用机理进行了探讨，BRO7^2-在该反应体系中主要是通过物理作用有效的阻止了逆反应的发生，从而使放氢速率得以提高．     

Electrospun TiO2 nanofibers coated with polydopamine for enhanced sunlight-driven photocatalytic degradation of cationic dyes

Controlled polydopamine (PDA)-coated TiO₂ composite nanofibers (NFs) were successfully fabricated via a facile electrospinning process and exposing TiO₂ NFs into a slightly alkaline dopamine solution. Chemical composition, structural morphology, and photocatalytic degradation property of as-prepared TiO₂ NFs and PDA-coated TiO₂ composite NFs were characterized by Fourier transfer infrared, X-ray photoelectron spectra, transmission electron microscopy, UV-vis diffuse reflectance spectra, and photocatalytic degradation experiments. The results indicated that the core-shell TiO₂@PDA composite NFs were successfully prepared and the thickness of PDA shell was highly controlled within several nanometers. And obtained TiO₂@PDA composite NFs exhibited improved photocatalytic performance after PDA coating, which is attributed to the photosensitization of PDA shell. Moreover, with increased pH values of initial solution, both absorption capacity in the dark and photocatalytic performance of TiO₂@PDA composite NFs showed significant improvement. Additionally, the obtained composite NFs showed different degrees of enhancement in photocatalytic performance based on different dyes, which is related to the “bait” effect of PDA shell. Comparing with anionic dyes, TiO₂@PDA composite NFs tended to adsorb and degrade more cationic dye molecules. It is anticipated that the fabricated composite NFs with controlled core-shell structure have great potential to be applied for organic pollutants removal, especially cationic dyes.     

Ti3C2 MXene助催化剂组装的介孔TiO2用以增强光催化甲基橙降解和产氢活性

利用太阳能驱动半导体光催化剂进行光催化降解污染物和产氢被认为是解决环境问题和能源危机最有效的方法之一.在众多的半导体光催化剂中,TiO₂因其优异的化学稳定性、环境友好和成本低等优点,在光催化领域具有不可或缺的作用.介孔TiO₂由于具有独特的介孔结构,更有利于光催化过程中反应物的吸附和传输.然而,单一TiO₂具有较高的光生载流子重组效率和低的光利用率等缺点,导致其光催化活性低.通过负载助催化剂可以增强光吸收、促进光生载流子的分离以及提供更多活性位点,是提高光催化活性的一种有效策略.目前,常用的高效助催化剂主要为贵金属,如Pt,Pd和Au等,但昂贵的价格及稀缺性限制了其在未来的广泛应用.因此,寻找新型的非贵金属助催化剂来提高光催化剂的活性具有重要意义.MXene作为一种新型的二维过渡金属碳化物和/或氮化物,具有丰富的表面亲水性官能团、良好的金属导电性和较高的载流子迁移率等特性,适合用于光催化中作为助催化剂来提高光催化性能.受此启发,本文利用静电自组装策略将介孔TiO₂纳米颗粒均匀地固定在Ti₃C₂MXene助催化剂上,构建了紧密的介孔TiO₂/Ti₃C₂复合材料,并研究其光催化降解甲基橙(MO)和产氢性能.Zeta电位测试结果表明,带有相反表面电荷的介孔TiO₂和Ti₃C₂可以通过静电作用构筑稳定的复合材料.X-射线粉末衍射、拉曼光谱、X-射线光电子能谱(XPS)、透射电子显微镜和高分辨透射电子显微镜等表征也进一步表明,成功制备了介孔TiO₂/Ti₃C₂复合材料.XPS也证明在复合材料中光生电子从TiO₂转移到Ti₃C₂助催化剂上,表明两者之间具有强相互作用.BET测试结果表明,相比单一的介孔TiO₂,复合材料具有更大的比表面积和孔体积,可提供更多的活性位点,有利于提高光催化活性.紫外-可见漫反射光谱表明,Ti₃C₂助催化剂的引入提高了材料的光吸收能力.荧光光谱、时间分辨荧光光谱、光电流密度和电化学阻抗等测试结果表明,复合材料具有优异的光生载流子分离和转移能力.在光催化性能测试中,最佳Ti₃C₂含量(3wt%)的介孔TiO₂/Ti₃C₂复合材料在40 min内对MO的光催化降解效率可达99.6%,并利用自由基捕获实验和电子自旋共振表征证实了活性物种·O₂-和·OH在光催化降解过程中起主要作用.此外,该复合材料也表现出了较好的产氢性能(218.85μmolg^-1h^-1),约为单一介孔TiO₂的5.6倍,且三次循环后仍保持稳定的产氢效率.综上,MXene族材料可以作为一种高效的非贵金属助催化剂应用于光催化领域.     

A Liquid‐Liquid Interface Process for Fabricating TiO2 Nanofiber Membrane with High Photocatalytic Activity

A membrane consisting of TiO₂ nanofibers was successfully fabricated through a simple solvothermal water/n‐hexane interface reaction of tetra‐n‐butyl titanate with NaOH followed by post treatments of acid washing and calcination. Tetra‐n‐butyl titanate reacts with NaOH at the interface to form high‐quality nanofibers with lateral dimensions below 200 nm and longitudinal dimensions of several tens of micrometers. The membrane is formed by the interpenetration and overlapping of the flexible nanofibers and distributed by holes with sizes ranging from several tens of nanometers to several hundreds of nanometers. Because of the porous structure, this nanofiber membrane exhibited a high efficiency in the photodecomposition of dyes in water.