催化学报
催化學報
최화학보
Chinese Journal of Catalysis
2015年
11期
1943-1948
,共6页
李力成%石康中%涂睿%钱祺%李东%杨祝红%陆小华
李力成%石康中%塗睿%錢祺%李東%楊祝紅%陸小華
리력성%석강중%도예%전기%리동%양축홍%륙소화
黑色氧化钛%双晶%光催化%氧空穴
黑色氧化鈦%雙晶%光催化%氧空穴
흑색양화태%쌍정%광최화%양공혈
Black titania%Bicrystalline%Photocatalysis%Oxygen vacancy
高效TiO2基光催化材料的开发一直是催化领域的研究热点，主要的策略是如何有效地分离光生载流子.制备多晶相的TiO2材料可引入异质/相结结构使电子与空穴朝不同方向移动，从而避免电子与空穴复合；另外，在TiO2中掺杂其他金属或非金属也可以有效地降低电子与空穴的复合率，掺杂的元素作为电子捕获阱俘获光生电子，以实现电子空穴的有效分离.近些年，作为一种全新的掺杂剂，氧空穴可以有效改善TiO2的光催化活性，所制TiO2具有可见光的全光谱吸收能力，因此该类TiO2呈现出黑色.通过上述方法均可以制备出高活性TiO2基光催化材料，如果能够将这些方法耦合一起，则可能制备出活性更高的光催化剂.因此，本文将异相结结构和空穴掺杂耦合起来，用多孔钛酸盐衍生物在H2中高温焙烧制得一种全新的黑色TiO2(B)/锐钛矿双晶TiO2–x纳米纤维.不同于其他TiO2基光催化材料，该样品仅由Ti和O元素组成，通过Ti和O元素的组合，形成了双晶结构和空穴掺杂两种特殊的结构，借助场发射(FESEM)、拉曼光谱(Raman)、氮气物理吸脱附、X射线光电子能谱(XPS)、热重(TG)、紫外可见漫反射光谱(UV-Vis)和荧光光谱(PL)等表征分析了样品的结构及其光催化性能间构效关系. FESEM结果显示，黑色TiO2(B)/锐钛矿双晶TiO2–x为长1–5mm、宽0.2mm的纤维结构， Raman结果表明，锐钛矿相在特征波段(140 cm–1左右)和TiO2(B)的特征波段(220–260 cm–1)均发生蓝移，说明该两相中均存在氧空穴；该样表面未检测到Ti3+，因此氧空穴可能分散在TiO2(B)和锐钛矿相的体相中.根据黑色TiO2(B)/锐钛矿双晶TiO2–x和白色TiO2(B)/锐钛矿双晶TiO2的失重差，估算出前者的O/Ti原子比为1.97.光催化降解甲基橙实验结果显示，黑色TiO2(B)/锐钛矿双晶TiO2–x的光催化活性是白色双晶TiO2的4.2倍，锐钛矿TiO2的10.5倍，且连续反应10次后未出现失活现象，显示出了良好的光催化稳定性.前期，我们已经证明了白色TiO2(B)/锐钛矿双晶TiO2由于具有TiO2(B)和锐钛矿的异相结结构，致使其电子空穴有效地分离，从而表现出优异的光催化活性；本文的PL结果显示，由于氧空穴的引入，异相结与氧空穴两者共同作用，进一步促进了黑色TiO2(B)/锐钛矿双晶TiO2–x电子与空穴的有效分离，因此黑色TiO2(B)/锐钛矿双晶TiO2–x表现出高的光催化活性.由于其特殊的结构，黑色TiO2(B)/锐钛矿双晶TiO2–x纳米纤维将在环境与能源领域表现出良好的应用前景.
高效TiO2基光催化材料的開髮一直是催化領域的研究熱點，主要的策略是如何有效地分離光生載流子.製備多晶相的TiO2材料可引入異質/相結結構使電子與空穴朝不同方嚮移動，從而避免電子與空穴複閤；另外，在TiO2中摻雜其他金屬或非金屬也可以有效地降低電子與空穴的複閤率，摻雜的元素作為電子捕穫阱俘穫光生電子，以實現電子空穴的有效分離.近些年，作為一種全新的摻雜劑，氧空穴可以有效改善TiO2的光催化活性，所製TiO2具有可見光的全光譜吸收能力，因此該類TiO2呈現齣黑色.通過上述方法均可以製備齣高活性TiO2基光催化材料，如果能夠將這些方法耦閤一起，則可能製備齣活性更高的光催化劑.因此，本文將異相結結構和空穴摻雜耦閤起來，用多孔鈦痠鹽衍生物在H2中高溫焙燒製得一種全新的黑色TiO2(B)/銳鈦礦雙晶TiO2–x納米纖維.不同于其他TiO2基光催化材料，該樣品僅由Ti和O元素組成，通過Ti和O元素的組閤，形成瞭雙晶結構和空穴摻雜兩種特殊的結構，藉助場髮射(FESEM)、拉曼光譜(Raman)、氮氣物理吸脫附、X射線光電子能譜(XPS)、熱重(TG)、紫外可見漫反射光譜(UV-Vis)和熒光光譜(PL)等錶徵分析瞭樣品的結構及其光催化性能間構效關繫. FESEM結果顯示，黑色TiO2(B)/銳鈦礦雙晶TiO2–x為長1–5mm、寬0.2mm的纖維結構， Raman結果錶明，銳鈦礦相在特徵波段(140 cm–1左右)和TiO2(B)的特徵波段(220–260 cm–1)均髮生藍移，說明該兩相中均存在氧空穴；該樣錶麵未檢測到Ti3+，因此氧空穴可能分散在TiO2(B)和銳鈦礦相的體相中.根據黑色TiO2(B)/銳鈦礦雙晶TiO2–x和白色TiO2(B)/銳鈦礦雙晶TiO2的失重差，估算齣前者的O/Ti原子比為1.97.光催化降解甲基橙實驗結果顯示，黑色TiO2(B)/銳鈦礦雙晶TiO2–x的光催化活性是白色雙晶TiO2的4.2倍，銳鈦礦TiO2的10.5倍，且連續反應10次後未齣現失活現象，顯示齣瞭良好的光催化穩定性.前期，我們已經證明瞭白色TiO2(B)/銳鈦礦雙晶TiO2由于具有TiO2(B)和銳鈦礦的異相結結構，緻使其電子空穴有效地分離，從而錶現齣優異的光催化活性；本文的PL結果顯示，由于氧空穴的引入，異相結與氧空穴兩者共同作用，進一步促進瞭黑色TiO2(B)/銳鈦礦雙晶TiO2–x電子與空穴的有效分離，因此黑色TiO2(B)/銳鈦礦雙晶TiO2–x錶現齣高的光催化活性.由于其特殊的結構，黑色TiO2(B)/銳鈦礦雙晶TiO2–x納米纖維將在環境與能源領域錶現齣良好的應用前景.
고효TiO2기광최화재료적개발일직시최화영역적연구열점，주요적책략시여하유효지분리광생재류자.제비다정상적TiO2재료가인입이질/상결결구사전자여공혈조불동방향이동，종이피면전자여공혈복합；령외，재TiO2중참잡기타금속혹비금속야가이유효지강저전자여공혈적복합솔，참잡적원소작위전자포획정부획광생전자，이실현전자공혈적유효분리.근사년，작위일충전신적참잡제，양공혈가이유효개선TiO2적광최화활성，소제TiO2구유가견광적전광보흡수능력，인차해류TiO2정현출흑색.통과상술방법균가이제비출고활성TiO2기광최화재료，여과능구장저사방법우합일기，칙가능제비출활성경고적광최화제.인차，본문장이상결결구화공혈참잡우합기래，용다공태산염연생물재H2중고온배소제득일충전신적흑색TiO2(B)/예태광쌍정TiO2–x납미섬유.불동우기타TiO2기광최화재료，해양품부유Ti화O원소조성，통과Ti화O원소적조합，형성료쌍정결구화공혈참잡량충특수적결구，차조장발사(FESEM)、랍만광보(Raman)、담기물리흡탈부、X사선광전자능보(XPS)、열중(TG)、자외가견만반사광보(UV-Vis)화형광광보(PL)등표정분석료양품적결구급기광최화성능간구효관계. FESEM결과현시，흑색TiO2(B)/예태광쌍정TiO2–x위장1–5mm、관0.2mm적섬유결구， Raman결과표명，예태광상재특정파단(140 cm–1좌우)화TiO2(B)적특정파단(220–260 cm–1)균발생람이，설명해량상중균존재양공혈；해양표면미검측도Ti3+，인차양공혈가능분산재TiO2(B)화예태광상적체상중.근거흑색TiO2(B)/예태광쌍정TiO2–x화백색TiO2(B)/예태광쌍정TiO2적실중차，고산출전자적O/Ti원자비위1.97.광최화강해갑기등실험결과현시，흑색TiO2(B)/예태광쌍정TiO2–x적광최화활성시백색쌍정TiO2적4.2배，예태광TiO2적10.5배，차련속반응10차후미출현실활현상，현시출료량호적광최화은정성.전기，아문이경증명료백색TiO2(B)/예태광쌍정TiO2유우구유TiO2(B)화예태광적이상결결구，치사기전자공혈유효지분리，종이표현출우이적광최화활성；본문적PL결과현시，유우양공혈적인입，이상결여양공혈량자공동작용，진일보촉진료흑색TiO2(B)/예태광쌍정TiO2–x전자여공혈적유효분리，인차흑색TiO2(B)/예태광쌍정TiO2–x표현출고적광최화활성.유우기특수적결구，흑색TiO2(B)/예태광쌍정TiO2–x납미섬유장재배경여능원영역표현출량호적응용전경.
Black TiO2(B)/anatase bicrystalline TiO2–x nanofibers were synthesized from a porous titanate de‐rivative by calcination in H2, and were characterized using field‐emission scanning electron micros‐copy, Raman spectroscopy, N2 adsorption‐desorption analysis, X‐ray photoelectron spectroscopy, thermogravimetric analysis, ultraviolet‐visible diffuse reflection spectroscopy and photolumines‐cence measurements. Characterization results showed that no Ti3+was present on the surface of black bicrystalline TiO2–x and oxygen vacancies were distributed in the bulk of both TiO2(B) and anatase phases. The O/Ti atom stoichiometric ratio of black bicrystalline TiO2–x was estimated to be 1.97 from the difference of mass loss between black bicrystalline TiO2–x and white bicrystalline TiO2 without oxygen vacancies. The photocatalytic activity of black bicrystalline TiO2–x was 4.2 times higher than that of white bicrystalline TiO2 and 10.5 times higher than that of anatase TiO2. The high photocatalytic activity of black bicrystalline TiO2–x was attributed to its effective separation of elec‐trons and holes, which may be related to the effects of both bicrystalline structure and oxygen va‐cancies. Black bicrystalline TiO2–x also exhibited good photocatalytic activity after recycling ten times. The black bicrystalline TiO2–x nanofibers show potential for use in environmental and energy applications.
