单斜与锐钛矿双晶相TiO2/MWNTs复合材料的制备及其可见光光催化活性

以超强耐酸碱的表面活性剂-丁基封端脂肪醇聚氧乙烯醚作为晶型调节剂,利用钛酸丁酯和氢氧化钠的水热反应制备了单斜相与锐钛矿相双晶相TiO2/多壁碳纳米管(简称MWNTs)复合材料,并考察了复合材料的可见光光催化活性。结果显示:MWNTs的加入可调控TiO2的晶相组成,增强TiO2的光催化活性,其中含5%MWNTs的样品具有较高的催化降解效率;随煅烧温度的升高,样品的光催化活性大幅提升。其机理归因于(1)促进单斜相和锐钛矿相双晶相结构的形成;(2)碳纳米管优良的导电作用及碳纳米管/TiO2间的异质结效应;(3)高温下碳纳米管分解产生的碳元素掺杂作用。     

单斜与锐钛矿双晶相TiO2/MWNTs复合材料的制备及其可见光光催化活性

以超强耐酸碱的表面活性剂-丁基封端脂肪醇聚氧乙烯醚作为晶型调节剂,利用钛酸丁酯和氢氧化钠的水热反应制备了单斜相与锐钛矿相双晶相TiO₂/多壁碳纳米管(简称MWNTs)复合材料,并考察了复合材料的可见光光催化活性。结果显示:MWNTs的加入可调控TiO₂的晶相组成,增强TiO₂的光催化活性,其中含5%MWNTs的样品具有较高的催化降解效率;随煅烧温度的升高,样品的光催化活性大幅提升。其机理归因于(1)促进单斜相和锐钛矿相双晶相结构的形成;(2)碳纳米管优良的导电作用及碳纳米管/TiO₂间的异质结效应;(3)高温下碳纳米管分解产生的碳元素掺杂作用。     

稀土金属掺杂对锐钛矿型TiO2光催化活性影响的理论和实验研究

从理论和实验两方面探讨稀土金属掺杂对锐钛矿型TiO2光催化活性的影响.理论上采用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理,对稀土掺杂TiO2前后的几何结构、能带结构、态密度及电子结构进行了系统的研究.结果表明,Y,La,Gd,Lu,Ce,Eu,Yb和Tb掺杂有助于TiO2光催化活性的提高;而对于Pr,Nd,Pm,Sm,Dy,Ho,Er和Tm掺杂,由于在价带顶和导带底之间形成了较多的可能成为光生电子和空穴的复合中心的杂质能级,故此类稀土的掺杂浓度需要控制在较小的范围内.另一方面,采用溶胶-凝胶法制备了9种稀土金属(RE=Y,Ce,Pr,Sm,Gd,Dy,Ho,Er,Yb)掺杂的TiO2粉体,运用X射线衍射(XRD)和紫外-可见光谱法(UV-Vis)分别表征其晶体结构和光学吸收性质.结果表明,掺杂前后的TiO2均为锐钛矿相,且Ho,Pr,Ce,Sm,Y,Yb和Gd掺杂使TiO2在可见光区的吸收有不同程度的提高.理论预测与实验结果基本一致,且理论研究结果与周期表中稀土元素外层电子轨道排布规律一致,从而揭示了稀土元素掺杂的本质规律,指明了适量的稀土掺杂有利于TiO2光催化活性的提高.     

TiO2/蒙脱石纳米复合物中TiO2的结构相变

以钛酸丁酯和季铵盐改性有机蒙脱石为原料,采用原位水解法和原位脱羟法制备了TiO2/蒙脱石纳米复合物。采用X射线衍射(XRD)、拉曼光谱(Raman)表征了不同焙烧温度下TiO2/蒙脱石纳米复合物中TiO2的结构相变,并与不同焙烧温度下纯TiO2的结构相变进行对比。结果发现TiO2/蒙脱石纳米复合物中TiO2从锐钛矿相开始转变为金红石的最低温度要比纯TiO2从锐钛矿开始相转变为金红石的最低温度高200℃,且在焙烧温度1 200℃时还存在锐钛矿相,而纯TiO2在焙烧温度800℃时就全部转换为金红石相。TiO2/蒙脱石纳米复合物中TiO2和纯TiO2的平均晶粒度都随焙烧温度升高而增大,但TiO2/蒙脱石纳米复合物中TiO2的平均晶粒度要小于相同温度下焙烧纯TiO2的平均晶粒度。表明蒙脱石结构层的硅氧结构抑制了TiO2晶型由锐钛矿相向金红石相的转变,进而使相变温度升高,同时阻碍了晶体的生长。     

水热处理锐钛矿TiO2纳米管阵列及其增强的光电催化活性

在含氟溶液中,通过电化学阳极氧化钛片成功制备了高度有序的TiO2纳米管阵列,先在450℃下煅烧使其晶化为锐钛矿相,再在不同温度下水热处理了这些锐钛矿阵列。用XRD、SEM和XPS表征了所制备的样品。通过在氙灯光照下光电催化降解对氯苯酚水溶液来检测样品的活性。以对苯二甲酸作为探测分子,用荧光光谱检测了在氙灯光光照下样品表面产生的羟基自由基(.OH)。通过线性伏安扫描的间隙光照实验,测定了样品的光电流响应。结果表明后水热处理对锐钛矿TiO2纳米管阵列的结晶度和形貌没有影响,但光电催化活性明显增强,而不同温度处理的样品的活性差别不大。水热处理后的TiO2纳米管阵列的光电催化活性增强的原因是,水热后TiO2纳米管阵列表面羟基含量明显增加,使得其在光电催化过程中生成的.OH增加。     

冷等离子体强化制备TiO2光催化材料及其机理

等离子体技术在材料制备和改性方面的优势得到众多研究者的认可。Ti O2具有化学稳定性高、氧化活性强、生产成本低等优势,被广泛应用于太阳能电池和光催化领域。本文综述了近年来介质阻挡放电等离子体在强化制备Ti O2光催化材料方面的研究成果,包括等离子体辅助制备Ti O2光催化薄膜和Ti O2的等离子体法掺杂两个方面,并分析了其作用机理。从目前的研究成果来看,等离子体技术制得的Ti O2光催化材料具有更好的均匀性和催化活性,这主要得益于等离子体中的高能电子,一方面,Ti O2粒子吸附电子,彼此之间产生静电场的斥力作用,可以抑制颗粒的团聚,另一方面,电子的强还原能力,能够打断Ti-O键,形成氧空位,从而提高其催化性能。     

模板水热法纳米TiO2制备及光催化性能研究

以聚乙烯吡咯烷酮(PVP)为模板剂,钛酸四正丁酯(TBOT)为钛源,水热法制备纳米TiO2。采用XRD,SEM、TEM和UV-Vis DRS等测试手段对其形貌和结构进行表征。通过对甲基橙的光催化降解实验,探讨了焙烧温度、催化剂用量和溶液pH值对光催化性能的影响。结果表明,TiO2具有锐钛矿相,平均晶粒尺寸约为23.2 nm,TiO2颗粒呈片层状或由片层状堆积的疏松圆球形,经超声后即分散为八面体晶粒。550℃焙烧的样品,紫外光照3 h后,对甲基橙的降解率可达84.2%。相比普通水热法,采用模板剂法制得的TiO2吸收带发生红移,因而也具有较好的可见光催化活性。     

TiO2纳米管阳极氧化制备机理及热处理对其影响

采用阳极氧化方法,在NH4F+H2O的乙二醇溶液体系下制备了TiO2纳米管列阵薄膜,建立了TiO2纳米管列阵薄膜的"电场诱导"生长模型。TiO2纳米管的管形结构形成与TiO2的半导体性质相关。纳米管表面吸附的纳米粒子与管壁间空间有关系。经过退火处理的纳米管管口由12~14个直径为25~35 nm的纳米颗粒团聚体组成,600℃时,纳米管结构已被破坏。经过300~600℃之间不同温度处理后的TiO2纳米管呈现锐钛矿晶态,比表面积随温度升高呈下降趋势。     

V掺杂锐钛矿相TiO_2的光吸收特性

使用V2O5和乙醇作为V掺杂TiO2的滴加液,运用溶胶-凝胶方法制备了不同浓度的V掺杂锐钛矿相TiO2的薄膜样品.对这些样品进行了紫外-可见透射光谱实验,发现V掺杂锐钛矿相TiO2的光谱响应范围向可见光区域移动,掺杂浓度为1.0%(摩尔分数)时红移效果最明显.此外,运用第一性原理,对V掺杂锐钛矿相TiO2的电子结构进行了研究,并运用能带结构理论对实验现象进行了解释.研究中发现:在V掺杂锐钛矿相TiO2后,随着V浓度的增加,TiO2的禁带宽度逐渐减小,光谱响应范围扩大,能提高它的可见光响应;但是由于掺杂后价带与导带比较接近,容易形成新的空穴-电子复合中心,以及导带区域V3d轨道上电子与Ti3d轨道上的电子强关联作用也会降低电子的还原性,所以V浓度的增加会使TiO2的光催化性能降低.理论上计算出在V掺杂浓度为6.25%(摩尔分数)时,TiO2的光吸收边红移最大,与实验得到的变化趋势相吻合.     

锐钛矿型TiO2水溶胶的低温制备及其表征

Anatase titanium dioxide hydrosol was prepared at low temperature by a simple method. The title material was characterized by TEM, XRD, FTIR and BET, respectively. The photocatalytic activity of the as-prepared TiO₂ was evaluated by the degradation of methyl orange solution under sunlight and the photocatalytic oxidation of acetone in air. The results showed that the titanium dioxide hydrosol was composed of anatase phase with average grain size of about 7 nm, and the crystallinity became more perfect with the increase of temperature. The BET surface areas were more than 220 m²·g^-1 for these samples. It is found that the photocatalytic activity was much better for the higher heat processing temperature. Especially, the photocatalytic activity of the sample with a heat treatment of 110 ℃ was better than that of P25. In addition, TiO₂ hydrosol also possessed good photocatalytic activity under the sunlight illumination.     

胶溶-水热晶化过程中纳米TiO2相稳定性研究

The phase stability of nanocrystaline anatase and rutile TiO2 in sols peptized at different temperature has been studied by X-ray Diffraction (XRD) and thermodynamical analysis. The results show that the stability of nanocrystaline TiO2 of different crystal types is a function of particle size. According to the thermodynamical analysis, anatase TiO2 becomes more stable than rutile TiO2 when the particle size is less than ca. 14 nm, which coincides with the experimental data obtained by XRD. Both surface Gibbs free energy and surface stress play important roles in the thermodynamically phase stability. Comparing the data calculated thermodynamically with the experimental results obtained under different temperatures, it is found that the constant K in the function relation, f=KGS, between surface free energy GS and surface stress f is temperature dependent and equal to 1 at 333 K and 2 at 453 K, respectively.     

锐钛相介孔SO42-/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%.     

TiO2纳米线的制备及其光电性能研究

利用在钛箔表面沉积一层TiO₂纳米粒子作为晶种，与NaOH反应，制备了一维物质TiO₂纳米线。并用XRD、SEM、TEM、HRTEM及EDS等分析手段对TiO₂纳米线的成分、形貌、结构进行表征。结果表明，采用该方法制得的TiO₂纳米线直径在20～50 nm左右、长度可达几微米。反应温度能显著影响所得纳米线的形貌。研究了TiO₂纳米线的光电化学性能。随反应温度的升高TiO₂纳米线光电转换效率增大。     

高活性晶面锐钛矿型TiO2纳米材料的溶剂热法制备及其光催化性能

以钛酸四丁酯为钛源,通过温和的溶剂热法制备了{101}/[111]-晶面共暴露(乙酸-TiO_2和无控制剂-TiO_2,即HAc-TiO_2和NO-TiO_2)和{101}/{010}/[111]-晶面共暴露(甲酸-TiO_2和氢氟酸-TiO_2,即FA-TiO_2和HF-TiO_2)的锐钛矿型TiO_2纳米材料,对其晶体结构、形貌、比表面积、孔径分布、光学性质以及载流子(电子和空穴)的迁移和重组进行了表征,并对其光催化性能和循环性能进行了评价。研究表明,所制备的{101}/{010}/[111]-晶面共暴露的HF-TiO_2在光催化降解罗丹明B溶液(或对硝基苯酚溶液)的过程中显示了最高的光催化活性,其降解效率为97.35%(或68.57%),分别是FA-TiO_2、HAc-TiO_2、BD-TiO_2和NO-TiO_2的1.06倍(或1.09倍)、1.18倍(或1.14倍)、1.35倍(或2.33倍)和4.88倍(或5.80倍),这归因于其最高的结晶性、较大的表面能、优越的表面原子结构和表面电子结构、最低的光致发光强度、最快的电荷转移速率和最小的载流子复合率。     

二氧化钛纳米管阵列的制备、改性及应用

二氧化钛因其在光催化、染料敏化太阳电池、生物医药等应用领域表现出优异性能而成为材料科学领域重点研究的化合物之一。本文介绍了近年来阳极氧化法制备不同形貌的TiO2纳米管(TiO2NTs)阵列,探讨了电解液、阳极氧化时间、电压三个因素对TiO2纳米管形貌的影响,综述了掺杂、复合、表面修饰这三种能对TiO2纳米管进行化学或物理修饰的改性手段以及改性后的TiO2纳米管阵列在光催化、太阳能电池、生物医学、传感等领域的应用研究进展。最后,指出国内外针对二氧化钛纳米管阵列研究现状所存在的问题,并对今后的研究工作提出了展望。