TiO_2光催化剂的形貌与晶面调控

二氧化钛(TiO2)具有化学稳定性高、无毒、价格低廉、来源广泛及光电性能优异等优点,被广泛应用于太阳能电池和光催化等领域,尤其是在污染物的光催化降解方面,可很好地解决当前的环境污染问题。但一方面受带隙宽度限制,使其对太阳光的利用率不足5%,不能充分利用太阳光中的可见光;另一方面由于光生电子-空穴容易结合,催化效率低,从而使TiO2的实际应用受到限制。因此必须采取合适的措施,一方面要增强TiO2对可见光的吸收,提高对太阳光的利用率;另一方面要抑制光生电子-空穴的复合,提高光催化效率。目前越来越多的科学家通过控制TiO2的形貌、晶型、特殊晶面暴露等手段来提高TiO2光生电子-空穴的传输速率和光电转换效率。本文主要综述了近年来在TiO2光催化剂的特殊形貌和特殊晶面暴露等方面的研究进展,对未来的研究和发展方向作了展望。     

微/纳复合型可见光光电材料Ag-石墨烯-TiO2的制备及应用

基于静电纺丝技术构筑了稳定均一的Ag-石墨烯-TiO₂纳米复合纤维;并利用SEM、TEM、XRD、EDS和Raman等表征了材料的微观结构与组分;随后,我们研究了该复合纤维在可见光下的光电转换性能。结果表明：掺杂既可降低TiO₂材料的禁带宽度,也能减缓光生电子与空穴的复合淬灭;Ag纳米晶的局域等离激元可增强纤维对可见光的吸收,石墨烯能促进光生电子与空穴的有效分离;可见光条件下,相比较于单一的TiO₂纳米纤维,复合纤维的光电流密度提高4倍,达到0.81μA·cm^-2。     

微/纳复合型可见光光电材料Ag-石墨烯-TiO2的制备及应用

基于静电纺丝技术构筑了稳定均一的Ag-石墨烯-TiO₂纳米复合纤维;并利用SEM、TEM、XRD、EDS和Raman等表征了材料的微观结构与组分;随后,我们研究了该复合纤维在可见光下的光电转换性能。结果表明：掺杂既可降低TiO₂材料的禁带宽度,也能减缓光生电子与空穴的复合淬灭;Ag纳米晶的局域等离激元可增强纤维对可见光的吸收,石墨烯能促进光生电子与空穴的有效分离;可见光条件下,相比较于单一的TiO₂纳米纤维,复合纤维的光电流密度提高4倍,达到0.81 μA·cm^-2。     

TiO2纳米管双室光电化学池光催化制氢的研究

以阳极氧化法在纯钛表面制备了高度有序的TiO₂纳米管阵列,并通过SEM观察其表面形貌。采用双室光电化学池制氢体系,利用太阳光照TiO₂产生的光电压与双室电解液pH差产生的化学偏压的协同效应,不施加外加电压,可直接在阴极室还原制取氢气。通过在碱性电解液中添加乙二醇为电子给体,将光解水制氢与有机物的降解耦合为一体,提高太阳能的利用率,同时考察了阳极室电解液中添加不同含量乙二醇对TiO₂纳米管光阳级的光电化学性能及产氢量的影响。实验结果表明,乙二醇的添加降低了光生电子-空穴对的复合几率,使TiO₂纳米管的光电流、光电压、产氢量得到显著提高。当添加乙二醇的浓度为10vol%时光电流达到13.7mA·cm^-2,无外加电压条件下,双室光电化学池中的产氢速率最高达到3.8μmol·min^-1·cm^-2。     

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。     

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。     

聚3-甲基噻吩修饰硫化物量子点连接纳米结构TiO2膜的光电化学研究

采用原位化学法在纳米结构TiO₂膜上制备了量子点CdS, PbS (Q-CdS, Q-PbS), 并用电化学方法在TiO₂/Q-CdS, TiO₂/Q-PbS表面聚合3-甲基噻吩[poly(3-Methylthiophene, PMeT)]. 用光电化学方法研究了PMeT修饰Q-CdS, Q-PbS连接TiO₂纳米结构膜, 实验结果表明, PMeT和Q-CdS, Q-PbS单独修饰纳米结构TiO₂电极和PMeT修饰Q-CdS, Q-PbS连接纳米结构TiO₂电极的光电流产生的起始波长都向长波方向移动; 一定条件下在可见光区光电转换效率均较纳米结构TiO₂的光电转换效率有明显的提高; 聚3-甲基噻吩(PMeT)与Q-CdS, Q-PbS连接的纳米结构TiO₂之间存在p-n异质结. 在一定条件下p-n异质结的存在有利于光生电子/空穴的分离, 在本文实验条件下PMeT修饰Q-CdS, Q-PbS连接纳米结构TiO₂电极最高的单色光的光电转换效率分别为11%和7%.     

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。     

Modification of TiO<Subscript>2</Subscript> electrode films in dye-sensitized solar cells with PMMA

Nanocrystalline porous TiO₂ electrodes for dye-sensitized solar cells (DSC) are modified by adding polymethyl methacrylate (PMMA). The result shows that large holes are formed in the TiO₂ films, and the short circuit photocurrent density and photoelectric conversion efficiency of DSCs are obviously enhanced compared with those without adding the PMMA. The relationship between the photoelectric conversion efficiency and the amount of PMMA is presented. In particular, the highest conversion efficiency was obtained with TiO₂ electrode films of adding 7.5 wt% PMMA, increasing the conversion efficiency by 27.5%.     

三维有序大孔CdS/TiO2薄膜的制备及其可见光催化性能

采用胶体晶体模板辅助溶胶-凝胶法以及S2-离子交换法合成了三维有序大孔CdS/TiO₂膜.结果表明,该薄膜材料在可见光催化降解污染水中罗丹明B和对氯苯酚的反应中表现出高活性.这可归因于修饰剂CdS的光敏化作用实现可见光催化,CdS-TiO₂之间形成了异质结,促进了电子和空穴的分离; 另一方面,有序大孔结构有利于光的利用以及反应物的扩散和吸附.     

CdTe/CdS共敏化TiO2电极材料的制备与光电性能

将电沉积法和化学浴沉积法结合,分别将CdTe和CdS量子点纳米晶材料引入到TiO₂纳米管阵列上制备CdTe/CdS量子点共敏化TiO₂光电极。利用扫描电镜、X射线衍射和X射线能量色散光谱等测试手段对所得样品的形貌、晶型和组分进行表征。在模拟太阳光照射条件下,通过电化学工作站测试其光电化学性能。研究结果表明,相对于单一量子点敏化CdS/TiO₂和CdTe/TiO₂光电极而言,共敏化CdTe/CdS/TiO₂光电极表现出更好的光电转化性能,短路电流密度和光电转换效率分别可以达到3.1 mA·cm^-2和1.85%。此外,采用电化学阻抗测试技术对材料性能提升的原因进行深入的探究。     

CdTe/CdS共敏化TiO2电极材料的制备与光电性能

将电沉积法和化学浴沉积法结合,分别将CdTe和CdS量子点纳米晶材料引入到TiO_2纳米管阵列上制备CdTe/CdS量子点共敏化TiO_2光电极。利用扫描电镜、X射线衍射和X射线能量色散光谱等测试手段对所得样品的形貌、晶型和组分进行表征。在模拟太阳光照射条件下,通过电化学工作站测试其光电化学性能。研究结果表明,相对于单一量子点敏化CdS/TiO_2和CdTe/TiO_2光电极而言,共敏化CdTe/CdS/TiO_2光电极表现出更好的光电转化性能,短路电流密度和光电转换效率分别可以达到3.1 m A·cm~(-2)和1.85%。此外,采用电化学阻抗测试技术对材料性能提升的原因进行深入的探究。     

SPR effect of Au nanoparticles on the visible photocatalytic RhB degradation and NO oxidation over TiO2 hollow nanoboxes

Three-dimensional (3D) TiO₂ hollow structures have attracted much attention due to their unique properties. However, the large bandgap of (3.2 eV) results in the fact that anatase TiO₂ photocatalyst can only be excited by UV light, which only accounts for 3–5% of the solar energy. On considering that nobel metallatic nanomaterials can harvest visible light due to surface plasmon resonance (SPR) effect, in this paper, three kinds of Au nanoparticles with different morphologies, namely Au nanospheres (Au-NSs), Au nanorods (Au-NRs) and Au nanopentogons (Au-NPs) were prepared and used as photosensitizers to modified TiO₂ hollow nanoboxes (TiO₂-HNBs), aiming to explore high efficient visible-light-responsive photocatalyst. The photoreacitivty of Au/TiO₂-HNBs was evaluated by photoctalytic oxidation of Rhodamine B (RhB) and NO under visible irradiation (λ > 420 nm). It was found that the visible photoreactivity of TiO₂-HNBs was greatly enhanced after modified with Au nanoparticles, and TiO₂-HNBs loaded with Au-NRs exhibit the highest visible photocatalytic activity towards both RhB degradation and NO oxidation. Upon visible irradiation, SPR effect induces the production of hot electrons from the Au nanoparticles, which can further transfer to the conduction band of TiO₂-HNBs to produce superoxide radicals (O₂⁻), resulting in an efficient separation of photo-generated electron-hole pairs. The photoreactivity of Au-NRs/TiO₂-HNBs towards RhB degradation almost keeps unchanged even after recycling used for 5 times, indicating that it is promising to be use in practical applications.     

简易模板剂法制备多级介孔TiO2微球及其在染料敏化太阳能电池中的性能

采用模板剂法一步合成分级结构的介孔TiO₂微球, 考察了烷基胺类模板剂中烷基链长度对介孔TiO₂微球合成及性能影响. 将其应用于染料敏化太阳能电池的光阳极半导体薄膜中, 得到了9.5%-10.1%的高能量转换效率. X射线衍射(XRD)、物理吸附仪(BET)、扫描电镜(SEM)等的分析结果表明: 分级结构介孔TiO₂微球的晶相为纯锐钛矿型; 介孔TiO₂微球表面粗糙, 的纳米粒子堆积形成, 使微球具有介孔性质和较适宜的比表面积. 介孔TiO₂微球堆积形成了利于物质扩散的通道并具有良好的光散射效果; 同时微球介孔粗糙表面保证了染料的大量吸附, 从而提高了电池的光电流. 通过电化学阻抗分析结果验证了分等级结构介孔TiO₂微球光阳极有利于电解液的传输和物质扩散的优异性能.     

Sunlight-Active BiOI Photocatalyst as an Efficient Adsorbent for the Removal of Organic Dyes and Antibiotics from Aqueous Solutions

A bismuth oxyiodide (BiOI) photocatalyst with excellent sunlight-driven performance was synthesized by a solvothermal route without the addition of surfactants or capping agents. The prepared photocatalyst exhibited a tetragonal phase with an energy band gap of 2.15 eV. The efficiency of the photocatalyst was elucidated by monitoring the photodegradation of organic dyes and antibiotics. The BiOI photocatalyst provided a 95% removal of norfloxacin (NOR) antibiotics under visible light illumination. Interestingly, the complete removal of Rhodamine B (RhB) dye was achieved after 80 min of natural sunlight irradiation. The photodegradation reaction followed the first-order reaction. Both photo-generated holes and electrons play vital roles in the photodegradation of the pollutant. The BiOI photocatalyst remains stable and still shows a high efficiency even after the fifth run. This confirms the great cycling ability and high structural stability of the photocatalyst. The prepared BiOI catalyst, with a high surface area of 118 m² g⁻¹, can act as an excellent adsorbent as well. The synergistic effect based on both adsorption and photocatalysis is a key factor in achieving a very high removal efficiency. The photoactivity under sunlight is higher than that observed under visible light, supporting the practical use of the BiOI photocatalyst for the removal of organic pollutants in wastewater through the utilization of abundant solar energy.