半导体光催化剂TiO2因具有绿色环保无污染、化学稳定性好及可实现稳定产氢等优点而广泛应用于光解水、废水处理和空气净化等领域.然而,锐钛矿相TiO2禁带宽度约为3.2 eV,仅对紫外光响应.而在太阳光中,44%左右为可见光,紫外光仅占不到4%.为了提高TiO2对太阳光的利用率和在可见光照射下的光催化活性,近年来人们采用掺杂金属/非金属离子以及与可见光催化剂复合等方法对TiO2进行改性.但是这些离子掺杂的方法会不可避免地在TiO2晶格中形成结构缺陷,这些结构缺陷作为光生电子和空穴的复合中心不利于电子和空穴分离.最近研究表明,通过Ti3+自掺杂可以很好提高TiO2可见光催化活性,但是目前制备Ti3+掺杂TiO2的方法较复杂,形成的Ti3+掺杂易在表面积聚而被进一步氧化,影响其光催化稳定性,不利于实际应用.因此,开发具有良好电子-空穴分离效率的可见光催化剂引起了广泛的研究兴趣.本文通过原位自掺杂Ti3+来提高TiO2可见光光催化活性.以TiCl3为钛源, H2O为溶剂, F127为软模板,采用溶剂挥发诱导自组装的方法制备了蠕虫状Ti3+自掺杂的介孔TiO2.采用X射线衍射(XRD)、N2物理吸附、紫外-可见漫反射(UV-vis)、透射电子显微镜和电子顺磁共振(EPR)对所制备样品结构、结晶度和形貌等进行了表征分析.通过控制表面活性剂用量和焙烧温度优化了Ti3+自掺杂介孔TiO2的光催化活性.结果表明,在模拟太阳光照射下,所制样品对气相光催化氧化NO和水相降解有机染料亚甲基蓝表现出优异的催化性能和稳定性. Ti3+自掺杂介孔TiO2有效扩展了催化剂的光吸收范围,提高了光生电子空穴的迁移效率.其优异的光催化活性和稳定性主要归因于掺杂在TiO2骨架中的Ti3+和所合成催化剂多孔性之间的协同效果.固体UV-vis结果表明,所合成的TiO2具有很好的可见光响应,主要归因于在TiO2材料合成过程中,部分Ti3+未被完全氧化, Ti3+掺入可以有效降低TiO2的禁带宽度.通过计算可知合成的TiO2禁带宽度为2.7 eV.通过低温EPR测试进一步证明了Ti3+的存在,而且Ti3+主要掺杂在TiO2体相中. N2物理吸附结果表明,随焙烧温度不断提高,所得产物的比表面积先增加后减少,当焙烧温度在500 oC时,比表面积最大,但至550 oC时,比表面积、孔径和孔体积增大,表明催化剂的孔结构被破坏.表面活性剂F127的用量对样品比表面积和孔径大小也有影响,当其用量为0.54 g时,所得产物的比表面积最大.我们将所合成的TiO2应用于污染气体NO的氧化,考察了焙烧温度和表面活性剂用量对光催化剂性能的影响.结果表明,当表面活性剂用量为0.54 g,焙烧温度为500oC时,所制催化剂在模拟太阳光和可见光照射下都表现出最好的NO去除转化率.将使用过的催化剂离心洗涤后进行连续反应3.5 h,依然保持很高的NO去除转化率.催化剂高活性及稳定性的主要原因是Ti3+的掺杂将TiO2光响应范围拓展到可见光区域,且Ti3+掺杂和介孔结构之间的协同作用有利于促进光生电子和空穴的分离.当催化剂在低于500 oC焙烧时,所得催化剂结晶度较低,不利于光生电子-空穴的分离,而高温焙烧则会导致催化剂介孔结构遭到破坏,不利于NO气体吸附和产物脱附.表面活性剂对催化剂活性影响较小,在可见光照射下催化剂均表现出很好的光催化活性.此外,该Ti3+自掺杂介孔TiO2在液相条件下对有机染料亚甲基蓝也表现出很好的去除效果,可见光照射2 h,亚甲基蓝去除率接近100%.
半導體光催化劑TiO2因具有綠色環保無汙染、化學穩定性好及可實現穩定產氫等優點而廣汎應用于光解水、廢水處理和空氣淨化等領域.然而,銳鈦礦相TiO2禁帶寬度約為3.2 eV,僅對紫外光響應.而在太暘光中,44%左右為可見光,紫外光僅佔不到4%.為瞭提高TiO2對太暘光的利用率和在可見光照射下的光催化活性,近年來人們採用摻雜金屬/非金屬離子以及與可見光催化劑複閤等方法對TiO2進行改性.但是這些離子摻雜的方法會不可避免地在TiO2晶格中形成結構缺陷,這些結構缺陷作為光生電子和空穴的複閤中心不利于電子和空穴分離.最近研究錶明,通過Ti3+自摻雜可以很好提高TiO2可見光催化活性,但是目前製備Ti3+摻雜TiO2的方法較複雜,形成的Ti3+摻雜易在錶麵積聚而被進一步氧化,影響其光催化穩定性,不利于實際應用.因此,開髮具有良好電子-空穴分離效率的可見光催化劑引起瞭廣汎的研究興趣.本文通過原位自摻雜Ti3+來提高TiO2可見光光催化活性.以TiCl3為鈦源, H2O為溶劑, F127為軟模闆,採用溶劑揮髮誘導自組裝的方法製備瞭蠕蟲狀Ti3+自摻雜的介孔TiO2.採用X射線衍射(XRD)、N2物理吸附、紫外-可見漫反射(UV-vis)、透射電子顯微鏡和電子順磁共振(EPR)對所製備樣品結構、結晶度和形貌等進行瞭錶徵分析.通過控製錶麵活性劑用量和焙燒溫度優化瞭Ti3+自摻雜介孔TiO2的光催化活性.結果錶明,在模擬太暘光照射下,所製樣品對氣相光催化氧化NO和水相降解有機染料亞甲基藍錶現齣優異的催化性能和穩定性. Ti3+自摻雜介孔TiO2有效擴展瞭催化劑的光吸收範圍,提高瞭光生電子空穴的遷移效率.其優異的光催化活性和穩定性主要歸因于摻雜在TiO2骨架中的Ti3+和所閤成催化劑多孔性之間的協同效果.固體UV-vis結果錶明,所閤成的TiO2具有很好的可見光響應,主要歸因于在TiO2材料閤成過程中,部分Ti3+未被完全氧化, Ti3+摻入可以有效降低TiO2的禁帶寬度.通過計算可知閤成的TiO2禁帶寬度為2.7 eV.通過低溫EPR測試進一步證明瞭Ti3+的存在,而且Ti3+主要摻雜在TiO2體相中. N2物理吸附結果錶明,隨焙燒溫度不斷提高,所得產物的比錶麵積先增加後減少,噹焙燒溫度在500 oC時,比錶麵積最大,但至550 oC時,比錶麵積、孔徑和孔體積增大,錶明催化劑的孔結構被破壞.錶麵活性劑F127的用量對樣品比錶麵積和孔徑大小也有影響,噹其用量為0.54 g時,所得產物的比錶麵積最大.我們將所閤成的TiO2應用于汙染氣體NO的氧化,攷察瞭焙燒溫度和錶麵活性劑用量對光催化劑性能的影響.結果錶明,噹錶麵活性劑用量為0.54 g,焙燒溫度為500oC時,所製催化劑在模擬太暘光和可見光照射下都錶現齣最好的NO去除轉化率.將使用過的催化劑離心洗滌後進行連續反應3.5 h,依然保持很高的NO去除轉化率.催化劑高活性及穩定性的主要原因是Ti3+的摻雜將TiO2光響應範圍拓展到可見光區域,且Ti3+摻雜和介孔結構之間的協同作用有利于促進光生電子和空穴的分離.噹催化劑在低于500 oC焙燒時,所得催化劑結晶度較低,不利于光生電子-空穴的分離,而高溫焙燒則會導緻催化劑介孔結構遭到破壞,不利于NO氣體吸附和產物脫附.錶麵活性劑對催化劑活性影響較小,在可見光照射下催化劑均錶現齣很好的光催化活性.此外,該Ti3+自摻雜介孔TiO2在液相條件下對有機染料亞甲基藍也錶現齣很好的去除效果,可見光照射2 h,亞甲基藍去除率接近100%.
반도체광최화제TiO2인구유록색배보무오염、화학은정성호급가실현은정산경등우점이엄범응용우광해수、폐수처리화공기정화등영역.연이,예태광상TiO2금대관도약위3.2 eV,부대자외광향응.이재태양광중,44%좌우위가견광,자외광부점불도4%.위료제고TiO2대태양광적이용솔화재가견광조사하적광최화활성,근년래인문채용참잡금속/비금속리자이급여가견광최화제복합등방법대TiO2진행개성.단시저사리자참잡적방법회불가피면지재TiO2정격중형성결구결함,저사결구결함작위광생전자화공혈적복합중심불리우전자화공혈분리.최근연구표명,통과Ti3+자참잡가이흔호제고TiO2가견광최화활성,단시목전제비Ti3+참잡TiO2적방법교복잡,형성적Ti3+참잡역재표면적취이피진일보양화,영향기광최화은정성,불리우실제응용.인차,개발구유량호전자-공혈분리효솔적가견광최화제인기료엄범적연구흥취.본문통과원위자참잡Ti3+래제고TiO2가견광광최화활성.이TiCl3위태원, H2O위용제, F127위연모판,채용용제휘발유도자조장적방법제비료연충상Ti3+자참잡적개공TiO2.채용X사선연사(XRD)、N2물리흡부、자외-가견만반사(UV-vis)、투사전자현미경화전자순자공진(EPR)대소제비양품결구、결정도화형모등진행료표정분석.통과공제표면활성제용량화배소온도우화료Ti3+자참잡개공TiO2적광최화활성.결과표명,재모의태양광조사하,소제양품대기상광최화양화NO화수상강해유궤염료아갑기람표현출우이적최화성능화은정성. Ti3+자참잡개공TiO2유효확전료최화제적광흡수범위,제고료광생전자공혈적천이효솔.기우이적광최화활성화은정성주요귀인우참잡재TiO2골가중적Ti3+화소합성최화제다공성지간적협동효과.고체UV-vis결과표명,소합성적TiO2구유흔호적가견광향응,주요귀인우재TiO2재료합성과정중,부분Ti3+미피완전양화, Ti3+참입가이유효강저TiO2적금대관도.통과계산가지합성적TiO2금대관도위2.7 eV.통과저온EPR측시진일보증명료Ti3+적존재,이차Ti3+주요참잡재TiO2체상중. N2물리흡부결과표명,수배소온도불단제고,소득산물적비표면적선증가후감소,당배소온도재500 oC시,비표면적최대,단지550 oC시,비표면적、공경화공체적증대,표명최화제적공결구피파배.표면활성제F127적용량대양품비표면적화공경대소야유영향,당기용량위0.54 g시,소득산물적비표면적최대.아문장소합성적TiO2응용우오염기체NO적양화,고찰료배소온도화표면활성제용량대광최화제성능적영향.결과표명,당표면활성제용량위0.54 g,배소온도위500oC시,소제최화제재모의태양광화가견광조사하도표현출최호적NO거제전화솔.장사용과적최화제리심세조후진행련속반응3.5 h,의연보지흔고적NO거제전화솔.최화제고활성급은정성적주요원인시Ti3+적참잡장TiO2광향응범위탁전도가견광구역,차Ti3+참잡화개공결구지간적협동작용유리우촉진광생전자화공혈적분리.당최화제재저우500 oC배소시,소득최화제결정도교저,불리우광생전자-공혈적분리,이고온배소칙회도치최화제개공결구조도파배,불리우NO기체흡부화산물탈부.표면활성제대최화제활성영향교소,재가견광조사하최화제균표현출흔호적광최화활성.차외,해Ti3+자참잡개공TiO2재액상조건하대유궤염료아갑기람야표현출흔호적거제효과,가견광조사2 h,아갑기람거제솔접근100%.
This study developed a facile approach for in situ synthesis of a Ti3+self‐doped mesoporous TiO2 photocatalyst by an evaporation‐induced self‐assembly method using TiCl3, water, and F127 as the titanium precursor, solvent, and soft template agent, respectively. The as‐prepared samples were investigated by X‐ray diffraction, N2 adsorption‐desorption measurements, ultraviolet‐visible dif‐fuse reflectance spectroscopy, electron paramagnetic resonance, and transmission electron mi‐croscopy. The influence of different reaction parameters such as the dosage of F127 and calcination temperature on the photocatalytic performance of the resulting products was evaluated. The opti‐mized product exhibited high photocatalytic activity and stability in the oxidation of nitric oxide in air and photocatalytic degradation of methylene blue. The excellent photocatalytic performance of the Ti3+ self‐doped mesoporous TiO2 photocatalyst is attributed to the cooperation between the mesoporous structure and self‐doped Ti3+enhancing light absorption and effectively suppressing the recombination of photogenerated electrons and holes.
