表面具丰富羟基的介孔TiO_2稳定Pt-OH-Fe(Ⅲ)催化界面

在负载型金属催化剂中,载体不仅可以提高金属分散度,同时还创造了独特的金属-载体界面.在特定的反应中,这些界面位点被认为是主要活性位点.对于这些体系,其催化性能的关键在于能否构建丰富且稳定的界面活性位点.本研究中,以乙二醇-钛前驱体水解得到的超高比表面积介孔TiO_2作为载体(m-TiO_2,490 m~2/g),通过紫外光照沉积得到m-TiO_2负载的高度分散的Pt纳米颗粒(1.9 wt%Pt,2.7 nm).相较而言,在商业P25 TiO_2上负载量仅有0.2 wt%,而Pt的尺寸却达6.7 nm.通过简单的沉积沉淀法可以在Pt/m-TiO_2和Pt/P25进一步构筑超高活性和稳定性的Pt-OH-Fe(Ⅲ)界面,所得到的Fe(OH)x-Pt/m-TiO_2在催化低温CO氧化反应中表现出超高活性和稳定性,而Fe(OH)x-Pt/P25却会在测试过程中发生不可逆的失活.研究发现,相较于P25表面密度较小且对湿气不敏感的羟基物种,m-TiO_2的高比表面积、介孔结构以及表面具有丰富(且对湿气敏感)的羟基(10.6 mmol/g,12.5 nm~(-2)),可以确保Pt-OH-Fe(Ⅲ)界面在CO氧化的放热反应中不会因为脱水发生不可逆的失活.     

介孔TiO2粉体的合成和表征及光催化性能研究

本文以甘油为结构导向剂,运用水热合成法制备了介孔二氧化钛粉体(MT),采用抽提和焙烧两种方法除去结构导向剂.分别对合成的样品、P25和商品TiO2粉末(PT)进行了XRD、TEM、TGA、N2等温吸附-脱附等实验表征,根据TGA计算了样品的表面羟基密度.研究了样品光催化降解甲基橙效率与其表面性质的关系.结果表明,经焙烧除去结构导向剂的样品的比表面最高,达285.3m2·g-1,孔径4nm～6nm,具有良好的光催化降解甲基橙性能.     

介孔TiO2的水热法制备及其光催化性能

以二钛酸钾(K2Ti2O5)经离子交换得到的无定形水合二钛酸(H2Ti2O5·xH2O)为原料,与葡萄糖溶液在220℃下进行水热反应,再在空气中520℃焙烧,制备出介孔TiO2.用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、N2吸附、透射电子显微镜(TEM)等技术对样品进行了表征.结果表明,该介孔TiO2具有微米级棒状或针状形貌,晶粒大小为12.3 nm,比表面积为106 m2·g-1,孔容为0.31 cm3·g-1,孔径为8.06 nm,焙烧处理后晶型仍是锐钛矿相.水热生成的碳抑制了晶粒的团聚生长和晶型的转变,提高了介孔TiO2的热稳定性.甲基橙降解实验评价了介孔TiO2的光催化性能,结果发现其活性与商用TiO2催化剂P25相当,而其较大的粒径更容易回收再利用.以碘化钾为探针反应,表明介孔TiO2的光催化机制以光生空穴氧化为主.     

介孔TiO2的水热法制备及其光催化性能

以二钛酸钾(K2Ti2O5)经离子交换得到的无定形水合二钛酸(H2Ti2O5·xH2O)为原料, 与葡萄糖溶液在220 ℃下进行水热反应, 再在空气中520 ℃焙烧, 制备出介孔TiO2. 用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、N2吸附、透射电子显微镜(TEM)等技术对样品进行了表征. 结果表明, 该介孔TiO2具有微米级棒状或针状形貌, 晶粒大小为12.3 nm, 比表面积为106 m2·g-1, 孔容为0.31 cm3·g-1, 孔径为8.06 nm, 焙烧处理后晶型仍是锐钛矿相. 水热生成的碳抑制了晶粒的团聚生长和晶型的转变, 提高了介孔TiO2的热稳定性. 甲基橙降解实验评价了介孔TiO2的光催化性能, 结果发现其活性与商用TiO2催化剂P25相当, 而其较大的粒径更容易回收再利用. 以碘化钾为探针反应, 表明介孔TiO2的光催化机制以光生空穴氧化为主.     

介孔TiO2担载Cu（OH）2及其催化炔烃氧化偶联反应

在有序介孔TiO₂中原位担载了高分散的Cu（OH）₂,并将其应用于炔烃的氧化偶联（Glaser）多相催化反应,该催化剂表现出很高的催化活性.Cu（OH）₂为催化剂的主要活性组分,TiO₂的有序介孔和较大的比表面积有利于Cu（OH）₂的分散以及反应物和产物的扩散,具有重要的应用前景.     

锐钛相介孔SO2-4/TiO2的声化学制备及结构和催化酯化性能

不使用有机模板剂,采用超声化学法一步水解制得吸附硫酸根的介孔偏钛酸,500℃焙烧得到介孔SO2-4/TiO2固体超强酸.用XRD、TFEM、FTIR、低温氮吸附-脱附等手段对催化剂结构进行了表征.结果表明,硫酸根在焙烧过程中与前驱体介孔偏钛酸孔壁上自由羟基的键合起到了孔结构导向及支撑作用,500℃焙烧后样品具有161 m2·g-1的比表面积及4.1 nm的平均孔径,酸强度H0介于-14.52与-16.02之间,硫含量为2.8%,晶型全部为锐钛矿相,介孔SO2-4/TiO2具有较大比表面、强酸特性和稳定性.催化合成富马酸二甲酯的最佳条件为:n(甲醇):n(富马酸)=6:1,催化剂用量为1.0%(反应物总质量),带水剂苯用量为10 mL,反应时间为3 h,催化剂重复使用7次,酯化率大于90%.     

介孔TiO2对溶菌酶吸附的动力学和热力学

773.15 K下焙烧二钛酸(H₂Ti₂0₅)制备了介孔结构TiO₂。采用比表面分析仪(BET)、扫描电镜(SEM)、拉曼(Raman)光谱和X射线衍射(XRD)仪进行表征研究了介孔TiO₂对溶菌酶的吸附行为和机理。结果表明,该吸附过程较好地满足Langmuir吸附模型;随着溶液pH值的增高,溶菌酶在介孔TiO₂上的吸附量先增大后减小。在pH = 7.2时,达到最大吸附容量72.5 mg·g^-1。该介孔TiO₂对溶菌酶具有良好的吸附稳定性,经过5次循环后吸附的溶菌酶残余量仍有81.6%。动力学研究表明,介孔TiO₂与溶菌酶间的吸附满足准二级动力学模型,吸附传质过程由膜扩散和粒内扩散共同影响与控制。对热力学参数的计算发现,该过程ΔG⁰ < 0, ΔH⁰ > 0, ΔS⁰ > 0,表明介孔TiO₂对溶菌酶的吸附是一个自发的、吸热的熵增过程。     

非表面活性剂合成CeO2介孔材料

以非表面活性剂三乙胺(TEA)和聚乙二醇(PEG)为模板剂,合成了具有立方莹石晶相结构的介孔CeO2材料,通过XRD,HRTEM,BET,FTIR和选区电子衍射(SAED)等手段对介孔CeO2进行了表征。考察了模板剂在CeO2介孔结构的形成过程中所起的作用及其对比表面、孔径分布、热稳定性的影响,并对模板剂的作用机制进行了分析。结果表明,三乙胺在CeO2介孔结构的形成中起关键作用,聚乙二醇对介孔结构热稳定性有明显的改善作用,经600℃焙烧3h的样品仍能保持较好的介孔结构,其介孔呈直通型的六方型孔道,比表面积>200m2·g-1,孔分布呈双孔型分布,其中介孔孔径约为5nm左右,微孔孔径在1～2nm之间,介孔占较大比例,并且微孔数量随焙烧温度的升高逐渐减少,直至600℃消失。     

介孔与介孔主客体材料在催化领域的应用

 综述了近年来介孔分子筛催化材料制备的研究成果及其在催化领域特别是精细化学品合成中的应用. 文章分为两部分,分别讨论了介孔材料本身作为催化剂以及介孔主客体催化材料的应用.     

F127辅助制备介孔Fe/TiO2催化剂用于中温NH3选择性催化还原反应

NOx是大气污染物的重要组成部分,能够造成酸雨、光化学烟雾和臭氧层破坏等一系列环境问题,严重危害人类健康.选择性催化还原(SCR)是控制NOx排放的主要技术,当前工业上普遍采用的是钒钛催化剂,然而该催化剂活性温度窗口较窄(300-400oC),N2选择性较低,而且钒物种本身有毒.因此开发新型SCR催化剂成为研究热点.Fe/TiO2催化剂具有稳定的化学性质,环境污染少且价格低廉,近年来受到广泛关注.为了提高Fe/TiO2催化活性,人们采用了各种不同的制备方法.本文以F127作为结构导向剂,结合溶胶-凝胶法原位合成了具有介孔结构、工作温度在150-300 oC的Fe/TiO2脱硝催化剂,并与普通浸渍法和共沉淀法制备的催化剂进行了对比.利用N2吸附脱附、紫外-可见光谱、X射线电子能谱、NH3程序升温脱附和原位红外光谱等技术研究了制备方法对Fe/TiO2催化剂物理结构及脱硝性能的影响.结果表明,相较于浸渍法和共沉淀法,模板法制备的催化剂具有较高的脱硝效率和抗H2O和SO2性能.作为结构导向剂,F127能够诱导催化剂形成均匀的介孔结构,有利于提高催化剂比表面积,促进反应物分子的扩散和转移,从而提高催化剂脱硝效率.进一步研究发现,模板法能够明显促进活性组分Fe物种的分散和NH3吸附,载体与活性组分具有较强的相互作用,因而有利于催化剂产生较多的活性位.结合XPS结果,较多的活性位点有利于表面吸附氧(Oα)在催化剂表面的吸附.Oα有利于NO到NO2的转化,从而促进快速SCR反应:NO+NO2+2NH3→2N2+3H2O.通过原位红外机理分析证明,吸附在模板法制备的催化剂表面的NO物种具有较强的稳定性,当温度超过200 oC时,仍然保持一定的吸附强度;吸附NH3红外结果表明,Lewis酸性位比Br?nsted酸性位具有更强的稳定性,当温度超过150oC仍然具有较强的Lewis酸吸附.催化剂表面稳定的NO物种和Lewis酸位上强的NH3吸附是催化剂催化活性增加的重要原因.     

Correlation of the Catalytic Activity for Oxidation Taking Place on Various TiO2 Surfaces with Surface OH Groups and Surface Oxygen Vacancies

Three catalytic oxidation reactions have been studied: The ultraviolet (UV) light induced photocatalytic decomposition of the synthetic dye sulforhodamine B (SRB) in the presence of TiO₂ nanostructures in water, together with two reactions employing Au/TiO₂ nanostructure catalysts, namely, CO oxidation in air and the decomposition of formaldehyde under visible light irradiation. Four kinds of TiO₂ nanotubes and nanorods with different phases and compositions were prepared for this study, and gold nanoparticle (Au‐NP) catalysts were supported on some of these TiO₂ nanostructures (to form Au/TiO₂ catalysts). FTIR emission spectroscopy (IES) measurements provided evidence that the order of the surface OH regeneration ability of the four types of TiO₂ nanostructures studied gave the same trend as the catalytic activities of the TiO₂ nanostructures or their respective Au/TiO₂ catalysts for the three oxidation reactions. Both IES and X‐ray photoelectron spectroscopy (XPS) proved that anatase TiO₂ had the strongest OH regeneration ability among the four types of TiO₂ phases or compositions. Based on these results, a model for the surface OH group generation, absorption, and activation of molecular oxygen has been proposed: The oxygen vacancies at the bridging O^2? sites on TiO₂ surfaces dissociatively absorb water molecules to form OH groups that facilitate adsorption and activation of O₂ molecules in nearby oxygen vacancies by lowering the absorption energy of molecular O₂. A new mechanism for the photocatalytic formaldehyde decomposition with the Au/TiO₂ catalysts is also proposed, based on the photocatalytic activity of the Au‐NPs under visible light. The Au‐NPs absorb the light owing to the surface plasmon resonance effect and mediate the electron transfers that the reaction needs.     

TiO2表面羟基及其性质

TiO₂材料表面含有丰富的羟基基团，研究表面羟基的分布和性质对理解TiO₂的吸附和光催化作用本质有非常重要的意义。本文简要总结了国内外近年来关于TiO₂表明羧基的研究进展，如不同晶相结构TiO₂的表面羟基状态及不同晶面上羧基的种类、表面吸附水对羟基分布的影响、表面羟基的光电化学性质以及其在光催化反应中的作用等。最后对TiO₂表面羧基研究中存在的问题进行了分析。     

Surface Plasmon Resonance‐Enhanced Visible‐NIR‐Driven Photocatalytic and Photothermal Catalytic Performance by Ag/Mesoporous Black TiO2 Nanotube Heterojunctions

Ag/mesoporous black TiO₂ nanotubes heterojunctions (Ag‐MBTHs) were fabricated through a surface hydrogenation, wet‐impregnation and photoreduction strategy. The as‐prepared Ag‐MBTHs possess a relatively high specific surface area of ≈85 m² g^?1 and an average pore size of ≈13.2 nm. The Ag‐MBTHs with a narrow band gap of ≈2.63 eV extend the photoresponse from UV to the visible‐light and near‐infrared (NIR) region. They exhibit excellent visible‐NIR‐driven photothermal catalytic and photocatalytic performance for complete conversion of nitro aromatic compounds (100 %) and mineralization of highly toxic phenol (100 %). The enhancement can be attributed to the mesoporous hollow structures increasing the light multi‐refraction, the Ti³⁺ in frameworks and the surface plasmon resonance (SPR) effect of plasmonic Ag nanoparticles favoring light‐harvesting and spatial separation of photogenerated electron–hole pairs, which is confirmed by transient fluorescence. The fabrication of this SPR‐enhanced visible‐NIR‐driven Ag‐MBTHs catalyst may provide new insights for designing other high‐performance heterojunctions as photocatalytic and photothermal catalytic nanomaterials.     

双介孔结构的纳米TiO2/I2复合材料的制备及其可见光催化性能

以钛酸丁酯为前驱体,碘溶胶为碘源,在室温下采用水解沉淀法制备了单质碘和纳米TiO2复合的双介孔结构光催化剂(M-I2-TiO2).采用X射线衍射(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、比表面分析(BET)、紫外-可见(UV-Vis)漫反射光谱和傅里叶变换-红外光谱(FT-IR)对M-I2-TiO2进行了表征.以次甲基蓝(MB)溶液为模拟废水,对M-I2-TiO2的光催化性能进行了评价,研究了不同热处理温度对光催化活性的影响.结果表明,M-I2-TiO2在可见光区有显著的吸收,300℃热处理得到的样品比表面积高达227.6 m2/g,600℃热处理所得样品的比表面积仍高达111.8 m2/g,而400℃热处理所得样品具有最好的光催化降解性能.双介孔结构纳米TiO2/I2复合材料的光催化降解性能显著高于相同方法制备的纯TiO2和Degussa P-25商业产品.催化剂经6次重复使用其光催化活性基本保持不变.     

Controlled Electropolymerization of Ruthenium(II) Vinylbipyridyl Complexes in Mesoporous Nanoparticle Films of TiO2

Surface‐initiated, oligomeric assemblies of ruthenium(II) vinylpolypyridyl complexes have been grown within the cavities of mesoporous nanoparticle films of TiO₂ by electrochemically controlled radical polymerization. Surface growth was monitored by cyclic voltammetry as well as UV/Vis and X‐ray photoelectron spectroscopy. Polymerization occurs by a radical chain mechanism following cyclic voltammetry scans to negative potentials where reduction occurs at the π* levels of the polypyridyl ligands. Oligomeric growth within the cavities of the TiO₂ films occurs until an average of six repeat units are added to the surface‐bound initiator site, which is in agreement with estimates of the internal volumes of the pores in the nanoparticle films.     

Mesoporous Foam TiO2 Nanomaterials for Effective Hydrogen Production

Hydrolysis of TiCl₄ in a diether‐functionalized imidazolium ionic liquid (IL), namely 1‐methyl‐3‐[2‐(2‐methoxy(ethoxy)ethyl]imidazolium methane sulfonate (M(MEE)I ? CH₃SO₃), results in a heterostructured organic/inorganic and sponge‐like porous TiO₂ material. The thermal treatment (300 °C) followed by calcination (500 °C) affords highly porous TiO₂. The characterization of the obtained samples (with and without IL, before and after calcination) by XRD, SEM, and TEM reveals TiO₂ anatase crystalline phases and irregular‐shaped particles with different porous structures. These hierarchical‐structured mesoporous TiO₂ nanomaterials were employed as efficient photocatalysts in the water‐splitting process, yielding up to 1304 μmol g^?1 on hydrogen production.     

TiO2和ZnO表面CO光催化氧化活性研究

在TiO2和ZnO表面CO光催化氧化研究中发现,365 nm紫外光照下TiO2表面无活性,而ZnO表面却有明显的CO光催化氧化活性.研究表明,主要是由于紫外光照下,ZnO光分解而TiO2没有光分解,从而在表面产生不同吸附形态的氧所致.而且,ZnO表面CO光催化氧化反应活性可在27 h内保持稳定,暗示气相光催化反应中,ZnO不会因为光腐蚀而使其催化活性降低.     

MoO3/TiO2 和WO3/TiO2 光催化分子氧氧化甲烷的活性

以Ｓｏｌ－Ｇｅｌ法制备的、表面积和孔径相近的含水ＭｏＯ３／ＴｉＯ２、ＷＯ３／ＴｉＯ２为催化剂,光催化分子氧氧化甲烷,初步研究表明,催化剂的活性高于ＴｉＯ２,且有少量的甲醇生成。     

偏振光作用下金红石型TiO2单晶(001)面的表面光电压谱研究

TiO2是一种优异的光电功能材料,被广泛用于有机污染物光降解及太阳能光电转换[1～3].近年来的研究表明,表面原子排布对TiO2光电效能有决定性的影响.如Lowckamp[3]的研究表明,TiO2的(101)晶面与其它晶面相比具有高的光化学还原Ag+的能力.本文结合偏振光技术与表面光电压谱技术对金红石型TiO2单晶(001)面的光伏响应特性进行了研究,通过对TiO2不同晶面的电子跃迁形式的区分及其对偏振光的不同响应,揭示了表面原子排布与TiO2光电性质之间的关系,实现了对材料功能特性的调控.