ZnO和TiO2粒子的光催化活性及其失活与再生

 利用XRD，TEM，BET和UV－Vis等测试技术对商品的ZnO及TiO2和纳米ZnO及TiO2粒子进行了表征．无论是商品的还是纳米的，在光催化氧化降解气相n－C7H16和SO2及液相苯酚的反应中，TiO2均表现出比ZnO高的光催化活性，并从光腐蚀性和表面电荷两方面分析了其原因．在光催化氧化降解n－C7H16的反应中，ZnO粒子易失活，而TiO2粒子不易失活．但是，在光催化氧化降解SO2的反应中，ZnO和TiO2粒子均易失活．SPS和XPS测试结果表明，光催化剂表面的导电类型由反应前的n型变成了失活后的p型．这主要是由于反应产物发生吸附所致．失活后的光催化剂可以通过浸洗和干燥再生．     

水汽对TiO_2上CO光催化氧化反应的影响

在室温、杀菌灯照射下 ,对“氧化的”TiO2 催化剂上CO光催化氧化反应进行了研究 ,发现当原料气中加入分压为 3.36kPa水汽时 ,光催化氧化CO的活性明显降低 .这可能是由于杀菌灯照射下TiO2 表面生成的O-(a) 或O(a) 与H2 O反应生成·OH ,降低了表面的O-(a) 和O(a) 的浓度 ,而生成的·OH不能使CO氧化 ,从而降低了氧化CO的能力     

ZnO和TiO2纳米粒子的光致发光性能及其与光催化活性的关系

采用沉淀法和溶胶-凝胶法制备了ZnO和TiO2及掺Zn2+的TiO2纳米粒子,用XRD和荧光光谱(FS)等手段对样品进行了表征,重点探讨了样品光致发光机制及与光催化活性的关系.结果表明,ZnO和TiO2样品在大于带隙能的光激发下均表现出明显的FS信号,热处理温度升高,FS信号强度下降,并且二者的FS信号类似,这可能与二者具有类似的电子能带结构有关,同时也说明FS信号主要源于表面氧空位以及吸附氧物种等引起的激子或表面态能级.掺杂Zn2+使TiO2纳米粒子FS信号增强,这主要与表面氧空位和缺陷等量增加有关;此外,在光催化氧化苯酚实验中,样品光催化活性与其FS信号强度顺序一致,即FS信号越强,活性越高.这是由于在光致发光过程中,FS信号主要源于表面氧空位,而在光催化反应中,表面氧空位有利于氧化反应进行.     

TiB2/均相硼掺杂TiO2核/壳结构提升光催化氧化水产氧活性

光催化可实现污染物降解、分解水制氢和CO2还原等多种氧化还原反应, 因而受到了广泛关注. 光催化材料中光生电荷的数目与氧化还原能力直接影响光催化反应效率, 在许多光催化反应中, 光生空穴氧化反应被认为速控步骤. 以光催化分解水为例, 质子的还原是单电子过程, 水氧化产生氧气则涉及四个电子. 空穴的高能量不仅可赋予其高的氧化能力,还能提高其迁出表面的能力, 因此具有重要研究价值.我们组的前期工作表明, 以TiB2作为前驱体, 采用水热合成和焙烧两步法可制备出间隙硼掺杂的金红石相或锐钛矿相TiO2, 间隙硼掺杂可显著降低价带顶, 提升光催化氧化水产氧性能. 然而, 在已有的结果中, 间隙硼掺杂浓度在TiO2中均呈现从内向外逐渐增加的梯度分布, 这意味着硼掺杂浓度有限, 且表层更低的价带顶不利于体相光生空穴向表面迁移, 因此亟需实现TiO2中均相的间隙硼掺杂.本文以湿化的氩气为水解环境, 将水解过程限域在TiB2的表面以减少硼原子流失; 同时提高水解温度, 使残留的硼原子形成间隙掺杂, 避免其在二次焙烧时扩散, 从而在TiB2核的表面所形成的TiO2壳层中实现均相间隙硼掺杂, 显著提高了光催化氧化水产氧活性. 多种表征结果表明, 直径约为6-10 μm的TiB2核表面形成了厚约400 nm的TiO2壳层, 在TiO2/TiB2中TiO2壳层重量比约为30%, TiO2壳层中锐钛矿相TiO2占比为65 wt%, 金红石相TiO2占比为35 wt%. TiO2壳层中间隙硼为均相分布, 硼掺杂显著降低了价带顶位置, 提高了光生空穴的氧化能力, 从而使得TiB2/TiO2展现出比未掺杂的金红石、锐钛矿相及两者混合相的TiO2均具有更高的光催化氧化水产氧的能力.     

纳米SnO2／TiO2的制备及光催化臭氧化活性

用沉积-沉淀法制备了一系列不同Sn/Ti比例的纳米催化剂SnO2/TiO2, 以糖蜜酒精废水的脱色降解为探针反应, 研究了在紫外光条件下Sn/Ti比和焙烧温度对其臭氧化活性的影响. 结果表明, 在Sn掺杂量为5%(mol)时, 焙烧温度773K时, SnO2/TiO2催化活性最好. XRD、TPR显示, 部分Sn4+可能掺入到TiO2的晶格之中, 形成了Sn-O-Ti键. 紫外漫反射光谱显示, 复合SnO2/TiO2对光的吸收明显增加, 催化活性的提高应归因于SnO2/TiO2表面的臭氧吸附. SnO2/TiO2光催化臭氧化降解糖蜜酒精废水的活性与臭氧在催化剂表面的吸附分解有很大的关系, 光的作用只是强化催化臭氧化的氧化效果.     

纳米TiO2光催化分解罗丹明B的动力学分析

锐钛矿型TiO2禁带宽度为3 2eV,在波长小于387nm的紫外辐射激发下,价带电子跃迁到导带,光生电子和空穴分离,与表面接触组分可发生一系列氧化还原反应,可将有机污染物降解为简单的无机化合物[1]。TiO2微粒粒径的降低(几十纳米),吸收光谱发生蓝移,催化活性随粒径的减小而增强[2,3]。纳米TiO2对罗丹明B的光催化分解过程与罗丹明B在TiO2表面的吸附有关[4]。本文采用自制纳米TiO2在4W紫外灯直接照射下,光分解罗丹明B为表观一级反应,反应速率与罗丹明B起始浓度及催化剂用量有关。1　实验部分纳米TiO2 采用sol gel法制备。分别配制不同…     

SO_2在TiO_2颗粒物表面的非均相反应

使用漫反射红外傅里叶变换光谱(DRIFTS)原位反应器研究了SO2在TiO2颗粒物表面的非均相反应.研究了氧气浓度、相对湿度(RH)及紫外光光照对反应的影响.结果表明,SO2在TiO2颗粒物上可转化为亚硫酸盐或被氧化为硫酸盐.水汽或者紫外光照可促进SO2在TiO2颗粒物表面的非均相氧化反应,在两者都存在的情况下,对促进硫酸盐的生成有协同效应.在干态无光照条件下和一定湿度(RH=40%)紫外光照条件下,以硫酸盐的生成来计算,SO2在TiO2颗粒物表面的反应级数分别为二级和一级;反应摄取系数γBET分别为1.94×10-6和1.35×10-5.TiO2颗粒物表面的羟基参与了反应,在紫外光照下表面生成的活性氧物种在反应中起重要作用.     

表面修饰DBS基团对TiO2气相光催化性能的影响

采用溶胶-水热法直接获得表面修饰十二烷基苯磺酸钠(DBS)分子基团的TiO2纳米粒子, 并考察了DBS表面修饰对纳米TiO2光催化氧化降解气相n-C5H12反应的活性和寿命的影响, 并利用表面光电压(SPS)谱和光致发光(PL)光谱等方法研究了DBS表面修饰的影响机制. 结果表明, 表面修饰DBS分子基团能够抑制TiO2纳米微晶生长, 促进纳米TiO2分散, 增强吸附性和提高光生电荷分离, 使光催化活性显著提高. 但寿命并未下降, 这与TiO2和DBS基团的光稳定性有关. 动力学研究结果表明, TiO2光催化氧化n-C5H12反应遵循Langmuir-Hinshelwood动力学模型, 为准一级反应.     

利用TiO2/SO42-光触媒催化还原CO2之参数影响与反应路径探讨

将改良式溶胶-凝胶法制备的酸性触媒TiO2/SO24-涂布于不锈钢网上,并利用自行设计之批次式光催化反应器,在三组近紫外灯管(波长为365nm,光强度为2.0mW/cm2)照射下,进行CO2光催化还原反应操作参数(还原剂种类、CO2初始浓度和反应温度)之影响研究.结果显示,使用氢气为还原剂可获得最高的光催化还原速率,光还原反应之主要气态产物为CO和甲烷,其次为微量的乙烯与乙烷.同时,光催化还原速率亦随着CO2初始浓度及反应温度的提高而增加.FT-IR光谱分析发现,TiO2/SO42-光触媒表面有甲酸、甲醇、碳酸盐、甲酸盐及甲酸甲酯等产物之存在.TiO2/SO42-光触媒催化还原CO2有两种可能反应路径,其中一种反应路径生成CO,CH4,C2H4及C2H6等气态产物;而另一种反应路径则生成CO23a-ds,CH3OHads,HCOOa-ds,HCOOHads,HCOHads与HCOOCH3ads等吸附在光触媒表面的产物.     

SO2－4 表面修饰对TiO2结构及其光催化性能的影响

采用溶胶 凝胶法制备了TiO2和/TiO2催化剂.运用XRD、BET比表面测定、IR和DRS光谱等技术对催化剂进行了表征,并以光催化氧化分解溴代甲烷作为模型反应,考察了上述催化剂的光催化反应性能及其反应条件对光催化活性的影响.结果表明,表面修饰使得催化剂的结构和光催化性能显著改善,催化剂表面形成具有超强酸性质的L酸和B酸协同中心.与TiO2相比,/TiO2光催化剂的锐钛矿含量高、晶粒小、BET比表面积大、孔径分布集中、光谱吸收边蓝移,具有优异的光催化氧化活性、稳定性及抗湿性能.     

紫外线预照射对TiO2上三氯乙烯气相光催化氧化反应的影响

 用紫外线照射法对TiO2光催化剂进行了预处理,并利用热重分析比较了预照射法和高温加热法对TiO2上三氯乙烯气相光催化氧化反应的影响. 结果表明,紫外线预照射可加快三氯乙烯的气相光催化反应. 这可能是紫外线预照射使TiO2 的表面状态和表面结构发生了变化,使催化剂表面活性基团羟基自由基的量增加所致.     

银促进的TiO2光催化降解甲基橙

 采用溶胶-凝胶和水热协同法制备了不同Ag含量的负载型Ag-TiO2样品,这些样品具有较大的比表面积和较小的粒径. 适量负载金属银后的TiO2在紫外及可见光下的光催化活性均得到提高. 银在TiO2上的最佳负载量为0.15%, 过高的负载量反而会降低TiO2光催化降解甲基橙的活性. 由于反应机理的不同,银负载对TiO2可见光下催化活性的提高要明显高于对其紫外光下催化活性的提高. 在可见光照射下,从激发态染料注入到TiO2导带的电子迅速转移到了Ag原子簇, Ag原子簇通过促进电荷分离抑制了电子和染料正离子自由基的复合,从而促进了光催化过程. 研究结果表明,有效地促进电荷分离以及激发态电子和氧气分子的反应是提高染料敏化光催化活性的关键.     

类石墨碳修饰提高ZnO纳米棒阵列光催化活性和光稳定性的研究

半导体光催化是一种理想的太阳能化学转化绿色技术,可以实现水分解制氢和CO2光还原制备碳氢化合物燃料.氧化锌 (ZnO) 作为一种直接带隙半导体材料,一方面具有性能优异、价格低廉、易制备等优点; 另一方面因光腐蚀而不稳定,大大限制了该材料的实际应用.本文提出了一种简单易行的类石墨碳修饰方法,可以有效提高 ZnO 用于CO2光还原的光催化活性和稳定性.首先采用水热法在金属锌片基底上生长 ZnO 纳米棒阵列 (ZnO-NRA),然后通过葡萄糖水热法进行不同含量的类石墨碳 (C-x) 修饰,形成 ZnO-NRA/C-x 纳米复合结构,同步实现碳包覆和碳掺杂.X 射线衍射结果表明,ZnO 纳米棒及ZnO-NRA/C-x 纳米复合结构都具有良好的纤锌矿型 (Wurtzite) 结构; 而拉曼散射则清楚地证实了类石墨碳的存在.扫描电子显微观察显示,生长的 ZnO 纳米棒长度大约 2-5 μm,直径为 400-700 nm,沿方向[0001]生长,端部由六个规则的 (103)晶面组成,进一步直观佐证了 ZnO 的典型纤锌矿型结构特征.透射电子显微分析结果表明,ZnO-NRA/C-x 纳米复合结构中类石墨碳包覆层厚度大约为 8 nm.ZnO-NRA/C-x 纳米复合结构的 X 射线光电子谱分析结果验证了 C-C,C-O 和 C=O键的存在与碳的包覆层相对应; 而 C-O-Zn键的出现则是由于碳在 ZnO 中掺杂所引起.从紫外-可见吸收谱上可观察到ZnO 的典型吸收带边位置约为 385 nm,而碳的包覆和掺杂导致 ZnO-NRA/C-x 纳米复合结构的吸收带边发生红移,并且吸收背底明显提高.电化学阻抗谱测试结果清楚地显示,ZnO-NRA/C-x 纳米复合结构比单纯 ZnO-NRA 的电化学阻抗明显降低,说明类石墨碳包覆层大幅度提高了电导性能,从而有利于光生载流子的分离和传输.荧光分析结果也表明,与单纯的 ZnO-NRA 相比,ZnO-NRA/C-x 纳米复合结构的荧光强度大幅度下降,进一步证实了 ZnO-NRA/C-x 纳米复合结构比单纯的 ZnO-NRA更有利于光生载流子的分离和传输.光电化学测试结果表明,ZnO-NRA/C-x 纳米复合结构的瞬态光电流 4 倍于单纯的ZnO-NRA,而 CO2 光还原性能测试也得到一致的结果.长时间多循环 CO2 光还原实验证实,ZnO-NRA/C-x 纳米复合结构具有稳定的光催化活性和极好的光稳定性.综上,我们利用一种简单易行的水热法进行类石墨碳修饰,成功开发了 ZnO-NRA/C-x 纳米复合结构,该结构因其优异的光生电子和空穴的分离和迁移性能,从而具有显著提升的CO2光还原活性和光稳定性.本工作证明,类石墨碳修饰是一种可以广泛借鉴的有效提升半导体材料光催化活性和光稳定性的可行方法.     

通过调节反应物气体吸附电子转移行为实现热驱动ZnO光催化CO还原和H2氧化反应

传统热催化和低温光催化体系在实际应用中都存在技术缺陷.近些年,人们通过将光和热耦合,克服它们各自的局限性,开创了光热协同催化新领域.目前已在CO减排、CO甲烷化和VOCs降解等诸多应用领域得到应用.当然,随着光热催化的发展,研究者也一直在思考光热协同的内在作用机理.目前大多数的机理分析都是从材料本身出发,通过研究表面反应、光吸收或金属与载体之间的电子转移行为来探讨光热协同效应.然而,表面反应只是多相光催化反应的其中一个步骤,此外还包括反应物的扩散和吸附及产物的脱附和扩散,其中反应物的吸附过程因其多变的吸附行为可能在整个反应过程中起着重要的作用.光热协同可能通过作用于气体吸附过程来调节反应的选择性和活性,但到目前为止,两者之间的内在联系尚不清楚.所以,从反应物气体吸附行为(尤其是吸附电子转移行为)的角度深入研究光热协同效应具有重要意义.本文在光催化CO还原和H2氧化体系中引入一定的热条件,希望通过热驱动效应影响H2/CO吸附时的电子转移行为,进而改变反应行为.为简化实验附加条件,选用常见的具有合适带隙宽度以及良好光吸收的ZnO作为研究材料,通过水热法合成了在(100)晶面具有氧空位(VOs)的ZnO样品,引入气敏传感系统检测不同光热条件下的H2/CO气体吸附电子转移行为,并结合多种原位手段从物质结构和气体吸附两个角度出发,分析光热条件下气体吸附行为变化的机理.与我们预测一致,在紫外光照下随着温度的升高,光热协同作用于(002)晶面,原位生长了锌空位(VZns),为H2分子提供吸附位点.H2从Vos位点吸附转移到VZns上,并导致H2(ads)从得电子转变为失电子行为(形成有利于H2氧化的定向吸附),从而发生H2氧化反应.对于同样吸附在高表面能(002)晶面上的CO分子来说,光热协同效应通过抬升材料费米能级来改变其电子转移行为,CO(ads)由失电子转变为得电子行为(形成有利于CO还原的定向吸附),并进一步被失去电子的H2(ads)还原.此外,还发现CO或H2的光催化氧化反应的发生只依赖于CO或H2单分子的定向活化(不考虑O2的吸附和活化),表明其归属于E-R反应过程.而CO的光催化还原反应需要同时满足CO和H2双分子的定向活化,可能归属于L-H反应过程.综上,本文研究结果表明,光热协同内在作用可能是通过改变ZnO材料结构,调节反应物吸附动力学中的电子转移行为,从而引起反应物的定向活化,进而改变反应选择性.     

在Pd/TiO2上CO的光催化增强效应

在Pd(2％)/TiO2上CO催化氧化的研究中发现：室温下， 以黑光灯（λ=365 nm）照时， CO的氧化活性比暗态显著提高，产生了明显的光催化增强效应（两者速率常数比约为15）.但在TiO2上，无论暗态还是黑光灯（λ=365 nm）照，均无CO氧化反应发生.这可能是由于氧分子解离吸附时的键能减弱，使Pd表面氧原子（或O－）浓度增加和氧原子的溢流（oxygen spillover）两种效应结合产生的.     

Enhanced photocatalytic activity of ZnO nanoparticles by surface modification with KF using thermal shock method

ZnO nanoparticles were modified with KF using thermal shock method at various temperatures in order to improve the photocatalytic activity of ZnO under both UVA and visible light irradiation. The influences of KF-modification on the crystal structure, morphology, UV–visible absorption, specific surface area as well as surface structure of ZnO were respectively characterized by XRD, FE-SEM, UV–Visible diffuse reflectance, N₂ adsorption and XPS spectroscopy. The photocatalytic activity was evaluated via the degradation of methylene blue under UVA irradiation. According to the results, the thermal shock process with KF did not modify the structure, the particle size and the optical properties of ZnO nanoparticles but successfully increase their UVA and visible light induced photocatalytic activity. This enhancement of activity may be attributed to the increase of surface hydroxyl groups and zinc vacancies of modified ZnO samples.     

用于紫外光下氰化物光催化氧化的含硫纳米复合材料的制备和表征(英文)

A sol-gel method was used to prepare TiO_2 and sulfur-TiO_2(S-TiO_2) nanocomposites, which were characterized by N_2 adsorption-desorption, X-ray diffraction, X-ray photoelectron spectroscopy, photoluminescene, ultraviolet visible and transmission electron microscopy measurements. The photocatalytic performance of TiO_2 and S-TiO_2 nanocomposites, with respect to the photocatalytic oxidation of cyanide under visible light irradiation, was determined. The results reveal that S is well dispersed on the surface of TiO_2 nanoparticles. Additionally, the surface area of the S-TiO_2 nanocomposites was observed to be smaller than that of the TiO_2 nanoparticles because of blocked pores caused by doping with S. The S-TiO_2 nanocomposite(0.3 wt% S) exhibited the lowest band gap and the highest photocatalytic activity in the oxidation of cyanide. The photocatalytic performance of S-TiO_2(0.3 wt% S) nanocomposites was stable, even after the fifth reuse of the nanoparticles for the oxidation of cyanide.     

Preparation, characterization, and photocatalytic activity of polyaniline/ZnO nanocomposite

Polyaniline (PANI)/zinc oxide (ZnO) nanocomposite was synthesized by in-situ polymerization. X-ray diffraction patterns, UV?Cvisible spectroscopy, SEM, and TEM were used to characterize the composition and structure of the nanocomposite. Nanostructured PANI/ZnO composite was used as photocatalyst in the photodegradation of methylene blue dye molecules in aqueous solution. The photocatalytic activity of PANI/ZnO nanocomposite under UV and visible light irradiation was evaluated and was compared with that of ZnO nanoparticles. ZnO/PANI core?Cshell nanocomposite had greater photocatalytic activity than ZnO nanoparticles and pristine PANI under visible light irradiation. According to these results, application of PANI as a shell on the surface of ZnO nanoparticles causes the enhanced photocatalytic activity of the PANI/ZnO nanocomposite. Also UV?Cvisible spectroscopy studies showed that the absorption peak for PANI/ZnO nanocomposite has a red shift toward visible wavelengths compared with the ZnO nanoparticles and pristine PANI. The effect of different operating conditions on the photocatalytic performance of PANI/ZnO nanocomposite in the photodegradation of methylene blue dye molecules was investigated in a bath experimental setup.     

Fe掺杂与天然沸石载体对TiO2光催化活性的影响

以具有多孔结构的天然斜发沸石为载体, FeCl₃和TiCl₄为前驱物制备铁离子掺杂TiO₂光催化剂. 分别在紫外光和太阳光照射下, 研究了Fe-TiO₂, TiO₂/沸石和Fe-TiO₂/沸石对甲基橙溶液(MO)的光催化分解过程, 并通过XRD, AFM, FTIR和吸收光谱等手段, 探讨了Fe和沸石对TiO2的光催化活性的影响. 结果表明, 适当浓度的Fe不仅可以提高TiO₂的光催化效率, 而且能够拓展TiO₂的吸收波长范围至可见光区. 而沸石的引入不仅提高了光催化剂的效率, 而且也增强了光催化剂的抗失活性能.