量子点/TiO2复合光催化材料的研究进展

近年,光催化技术已被广泛应用于污水处理、CO₂还原、制氢等多个领域。在光催化材料中,TiO₂由于具有化学稳定性高、来源广泛、价格低廉等优点,应用最广泛。但较宽的带隙及较高的电子及空穴复合效率使TiO₂的光催化性能受到极大限制。量子点(QDs)作为一种受量子约束效应影响的纳米尺度粒子,具有载流子易调控和表面位点丰富等优势。因此,研究人员采用不同方法将TiO₂与QDs复合,以增强TiO₂的光催化性能,获得了系列具有优异光催化性能的QDs/TiO₂复合光催化材料。本文主要综述了QDs/TiO₂复合光催化材料的研究进展。首先,阐述了QDs/TiO₂复合光催化材料的制备方法,并就QDs对TiO₂光催化性能的增强机制进行了剖析;然后,总结了QDs/TiO₂复合光催化材料在有机污染物降解、制氢及CO₂还原方面的应用研究进展;最后,围绕QDs/TiO₂复合光催化材料现阶段研究中的关键问题及未来的研究前景进行了展望。      

纳米TiO2/碳化植物纤维复合材料的制备与光催化性能

以碳化植物纤维(CPF)为载体,将纳米TiO₂附着于纤维表面,通过浸渍煅烧法和溶剂热法合成纳米TiO₂/CPF复合光催化剂,并对其光催化性能进行了研究。通过SEM、HRTEM、XRD、EDS分析了纳米TiO₂/CPF复合光催化剂的微观结构和化学组成;以光催化降解亚甲基蓝为模型反应,考察复合材料中不同纤维种类和TiO₂负载量对光催化活性的影响。结果表明,在一定范围内随TiO₂负载量的增加,纳米TiO₂/CPF复合材料光催化性能先增强后减弱。纳米TiO₂/CPF复合材料的光催化性能明显提高是由于在TiO₂和碳纤维界面的良好电荷分离能力。降解染料的活性物种有超氧负离子和羟基自由基,但羟基自由基是主要物种。此外,浸渍煅烧法和溶剂热法生成的纳米TiO₂在纤维表面的存在形式不同,浸渍煅烧法生成纳米TiO₂薄膜,包裹纤维;而溶剂热法生成的TiO₂结晶成纳米颗粒,附着于纤维表面。      

Ag与Ag2O协同增强TiO2光催化制氢性能的研究

本研究采用两步法制备了电子助剂Ag和界面活性位点Ag₂O共修饰的高效TiO₂光催化剂(TiO₂/Ag-Ag₂O): 首先用光沉积法将Ag负载在TiO₂表面(TiO₂/Ag), 再经过低温煅烧法使部分Ag原位生成Ag₂O。紫外光照射TiO₂时, 激发产生的电子被助剂Ag捕获后快速传输到Ag₂O上, 电子把Ag₂O界面产氢活性位点从溶液中所捕获的氢离子还原成氢气, Ag和Ag₂O的协同作用加快了TiO₂上光生电子的转移和界面产氢反应, 从而提高了TiO₂/Ag-Ag₂O制氢性能。在300 ℃煅烧温度下制备的TiO₂/Ag-Ag₂O光催化剂制氢速率最高, 达到75.20 μmol/h, 分别是TiO₂(3.59 μmol/h)和TiO₂/Ag(41.13 μmol/h)的21.0倍和1.8倍。本研究为光催化制氢材料的设计和制备提供了有益的参考。     

高温水解溶剂热法合成纳米TiO2及其光催化性能研究

以钛酸丁酯为前驱体,在丙酮、吡啶和乙醇的混合溶剂中,采用高温水解溶剂热法合成了纳米TiO₂粉体。XRD和TEM分析结果表明,纳米TiO₂的平均晶粒尺寸约为11nm,分散性好,是纯单相锐钛矿型。经不同温度煅烧处理后可知,当煅烧温度低于等于800℃时,该纳米TiO₂都能保持单一的锐钛矿相,具有高的热稳定性;当煅烧温度低于等于600℃时,煅烧温度对该纳米TiO₂光催化性能的影响较小,都具有优良的光催化活性。     

石墨烯/纳米TiO2复合材料的制备及其光催化性能

以氧化石墨烯（GO）和钛酸四丁酯（Ti（OBu）₄）作为初始反应物,采用乙醇溶剂热法合成了石墨烯/纳米TiO₂复合材料,并利用XRD、FE-SEM、TEM、RAMAN和XPS等手段对石墨烯/纳米TiO₂复合材料的晶体结构、形貌及元素形态等性质进行了表征,同时将复合材料应用于光催化降解甲基橙溶液,进行光催化性能评价。结果表明：Ti（OBu）₄在乙醇溶剂中通过化学静电引力吸附到GO表面,经过溶剂热反应,GO被还原成石墨烯的同时,石墨烯的表面负载生长锐钛矿TiO₂颗粒。随着溶剂热反应时间的延长,GO表面的活性基团减少,还原更加彻底,同时TiO₂晶粒有一定的增大趋势;与纯TiO₂相比,石墨烯/纳米TiO₂复合材料光催化活性明显提高,石墨烯含量对复合材料的光催化活性有直接的影响。     

石墨/TiO2复合光催化剂的制备和性能

以石墨和纯的TiO₂为原料,采用球磨工艺制备了石墨/TiO₂复合光催化剂。使用XRD、SEM、TEM、XPS和DRS等手段对其性能进行了表征。以甲基橙为模拟污染物,研究了石墨掺入量、球磨时间对复合光催化剂光催化活性的影响。结果表明,石墨/TiO₂复合光催化剂具有锐钛矿结构,球磨后TiO₂(101)面的衍射峰宽化并右移,TiO₂成为200 nm左右的不规则球状颗粒,在其表面均匀分布着石墨。TiO₂晶粒的Ti-O键的结合能变高,且表面有缺陷产生,使其在可见光区具有显著的吸收。石墨掺入量为5%、球磨时间为12 h的石墨/TiO₂样品对甲基橙具有优异的光催化降解效果,在70 min的降解时间内甲基橙的降解去除率可达95.08%。石墨/TiO₂复合光催化剂的光催化反应速率常数k为0.043035 min^-1,是纯TiO₂的2.64倍。     

具有高活性(001)晶面的TiO2纳米方块的制备及光催化性能

采用水热法制备了尺寸为70~100 nm, 具有高活性(001)晶面的锐钛矿相TiO₂纳米方块, 利用FE-SEM、TEM、XRD和UV-Vis DRS等手段对催化剂结构和光吸收性能进行分析, 同时考察了水热反应温度和溶液pH对TiO₂形貌和(001)晶面暴露率的影响。以酸性红染料为目标污染物, 对催化剂的光催化活性进行研究。实验结果表明, 合成TiO₂纳米方块的最佳条件为水热温度180℃、溶液pH=4~5。(001)晶面的光催化活性优于(101)晶面, 具有33%(001)晶面暴露率的TiO₂纳米方块的光催化活性是普通TiO₂的1.6倍。     

TiO2/WO3微纳米纤维复合材料的制备及光催化性能

通过溶胶-凝胶和静电纺丝技术相结合的方法, 成功制备不同复合浓度聚乙烯吡咯烷酮(PVP)/钛酸四正丁酯(Ti(OC₄H₉)₄)/钨酸铵(N₅H₃₇W₆O₂₄·H₂O)前驱体。通过控温煅烧获得不同煅烧温度、不同复合浓度的TiO₂/WO₃微纳米纤维复合材料。采用X射线衍射(XRD)、傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)和紫外-可见漫反射光谱(UV-Vis )技术对样品进行表征。以亚甲基蓝(MB)的光降解为模型反应, 研究TiO₂/WO₃微纳米纤维复合材料在紫外光照射下的光催化活性。结果表明, 煅烧温度500℃时, n(Ti):n(W) = 12:1形成WO₃掺杂的TiO₂微纳米纤维及n(Ti):n(W) = 4:1形成的TiO₂/WO₃复合微纳米纤维的光催化活性均高于纯TiO₂。     

TiO2/Co3O4复合纳米颗粒的制备及其光催化制氢性能

通过碳辅助法和溶胶-凝胶法制备了具有可见光下光催化制氢性能的TiO₂/Co₃O₄复合纳米颗粒。采用X射线衍射仪(XRD)、透射电子显微镜(TEM)和高分辨率透射电子显微镜(HRTEM), 以及紫外可见分光光度计表征了复合纳米颗粒的晶体结构、微观形貌和紫外-可见光谱吸收能力。结果表明, 制备的复合纳米颗粒具有良好的晶型、结构以及紫外可见光吸收能力。实验测试了TiO₂/Co₃O₄复合纳米颗粒在模拟太阳光下的光催化制氢性能, 并研究了其光催化制氢的可重复利用性。结果表明, 在模拟太阳光照射下, 该复合纳米颗粒催化纯水产生氢气的速率约为8.25 μmol/(g·h), 且该复合纳米颗粒具有良好的可重复利用性。     

波浪纹黑色二氧化钛微米管的制备及其光催化性能研究

为了提高TiO₂的光催化性能，以钛酸丁酯(TBT)为钛源通过溶胶-凝胶法制备出TiO₂前驱体，再以棉纤维为模板，将吸附有TiO₂前驱体的棉纤维煅烧后得到了一种表面呈波浪纹的TiO₂微米管，随后通过原位固态还原法，以硼氢化钠(NaBH₄)为还原剂制备出黑色二氧化钛(TiO_2-x)光催化剂。采用X射线衍射、拉曼光谱、X射线光电子能谱等手段对样品晶体结构与表面化学状态进行表征。以可见光下亚甲基蓝(MB)的光降解反应为模型，对所制备的TiO_2-x的光催化性能进行评估。结果表明：相比于TiO₂,TiO_2-x在可见光下具有更高的催化活性，3h内对MB的降解率达到65.1%,是一种性能优异的光催化剂。     

碳量子点敏化二氧化钛复合光催化剂的制备与光催化降解苯酚

为了解决二氧化钛光催化剂存在的禁带宽度大和量子效率低的问题,利用具有优异光吸收性能和电子转移能力的碳量子点改性二氧化钛,可以大幅度提高二氧化钛的光催化性能。本文以富勒烯碳灰为原料,利用混酸回流法制备了一种发黄蓝光的碳量子点,然后采用一步水热法将碳量子点负载于二氧化钛制备了复合光催化剂。借助高分辨透射电子显微镜(HRTEM)、傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、紫外可见光光谱(UV-vis)、荧光光谱、X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱分析(XPS)等表征手段对碳量子点和复合光催化剂进行表征,并以苯酚作为模拟废水进行光催化降解实验,结果表明,与纯二氧化钛相比,用碳量子点改性的二氧化钛对苯酚的去除率可提高60%,且其具有较好的稳定性与重复使用性,6次循环利用后仍可达到初次的97.8%。     

石墨烯量子点/CdS/CdSe共敏化太阳能电池

以三维锐钛矿TiO₂微球为上层光散射层材料, 以商业纳米TiO₂为下层连接材料, 采用刮刀法制备了一种新颖的双层TiO₂薄膜, 并应用于量子点敏化太阳能电池(QDSSC)。其中, 石墨烯量子点(GQDs)采用滴液法引入, CdS/CdSe量子点采用连续离子层吸附法(SILAR)制备。采用场发射扫描电镜、透射电镜、X射线衍射、紫外-可见漫反射光谱及荧光光谱对样品进行表征。实验还制备了CdS/CdSe量子点敏化及石墨烯量子点/CdS/CdSe共敏化太阳能电池, 并研究了石墨烯量子点及CdS不同敏化周期及对电池性能影响。研究结果表明, 石墨烯量子点及CdS不同敏化周期对薄膜的光学性质、电子传输及载流子复合均有较大影响。优选条件下, TiO₂/QGDs/CdS(4)/CdSe电池的光电转换效率为1.24%, 光电流密度为9.47 mA/cm², 显著高于TiO₂/CdS(4)/CdSe电池的这些参数(0.59%与6.22 mA/cm²)。这主要是由于TiO₂表层吸附石墨烯量子点后增强了电子的传输, 减少了载流子的复合。     

CsPbBr3@TiO2核壳结构纳米复合材料用作水稳高效可见光催化剂

CsPbBr₃钙钛矿量子点在水中的不稳定性一直是限制其应用的关键因素。本工作采用钛酸四丁酯水解结合煅烧的方法在CsPbBr₃表面包覆TiO₂保护层, 制备了一种具有良好水稳定性和光催化活性的CsPbBr₃@TiO₂核壳结构纳米复合材料。所合成的CsPbBr₃钙钛矿量子点尺寸约为8 nm, 包覆层为不完全结晶的TiO₂, 其厚度约为20 nm。采用在可见光下降解水中有机污染物罗丹明B表征了CsPbBr₃@TiO₂复合材料的光催化性能。结果表明, CsPbBr₃@TiO₂复合材料的光催化性能远优于纯TiO₂和CsPbBr₃钙钛矿量子点。光电流测试结果表明, CsPbBr₃和TiO₂形成的异质结构能够促进光生载流子的分离, 从而提升CsPbBr₃@TiO₂复合材料光催化性能。更重要的是, TiO₂可以作为CsPbBr₃的保护层将CsPbBr₃和水分隔开来, 使得CsPbBr₃@TiO₂复合材料具有很好的水稳定性。经过光催化降解污染物之后, 回收的CsPbBr₃@TiO₂复合材料的形貌、发光和光催化性能保持不变。     

锐钛矿型TiO2纳米棒薄膜的溶胶-凝胶法制备研究

以钛酸丁酯Ti（OC₄H₉）₄、冰醋酸、去离子水和聚乙二醇（PEG）1000为原料,采用溶胶-凝胶法和旋转涂膜工艺,在玻璃衬底上制备出锐钛矿型TiO₂纳米棒。利用X射线衍射仪（XRD）、SEM和紫外可见光谱（UV/Vis）对TiO₂纳米棒薄膜进行了表征。结果表明,实验制备的TiO₂纳米棒为锐钛矿晶型,在TiO₂反应体系中,胶体粒子在加热过程中偶联在一起,1h后形成了TiO₂纳米棒,其直径为30～50nm,长度为100～200nm。同时,在42mL钛的胶体溶液中添加0.30g PEG（1000）后,纳米TiO₂薄膜的可见光透射峰值降低,TiO₂薄膜表面孔径为20～50nm。     

TiO_2/蒙脱土复合材料的制备及光催化降解苯酚性能

为了利用TiO_2优越的光催化活性和蒙脱土(MMT)的结构特性,首先,以MMT为载体、TiCl_4为原料、氨水为沉淀剂,采用水解沉淀法制备了TiO_2/MMT复合材料;然后,利用FTIR、XRD和SEM对TiO_2/MMT复合材料进行成分、晶型、结构和形貌表征;最后,在紫外光照射下,考察了不同TiO_2含量的TiO_2/MMT复合材料对模拟苯酚废水的光催化降解活性,并结合紫外-可见光谱对复合材料光催化降解苯酚的过程进行了跟踪实验。结果表明:所制备的TiO_2/MMT复合材料中TiO_2为锐钛矿相,在MMT上的晶粒尺寸为7.8nm。TiO_2/MMT复合材料中层间域内成分被钛柱取代,且柱撑反应在层间域内进行。因此MMT的基本骨架不变,且TiO_2分散在MMT的表面。当苯酚的初始浓度为10mg/L、苯酚溶液的pH为6且紫外光照射时间为150min时,37.5wt%TiO_2/MMT复合材料对苯酚降解率为63%,优于MMT(4.5%)和纯TiO_2(55%),说明MMT的负载提高了TiO_2的光催化活性。     

CdS/TiO2纳米棒阵列复合材料的制备及其光电化学特性

以水热法在氟掺杂的氧化锡透明导电玻璃(FTO)上制备的TiO₂纳米棒阵列为衬底, 通过连续化学水浴沉积(S-CBD)法将CdS量子点 (QDs)沉积在TiO₂纳米棒上, 形成CdS/TiO₂阵列复合材料。分别利用高分辨透射电子显微镜(HRTEM)、 场发射扫描电子显微镜(FESEM)、 X射线衍射(XRD)和紫外可见光谱(UV-vis)等对样品的形貌、 晶型以及光吸收性能进行了表征。结果表明, TiO₂纳米棒阵列长度约为2.9 μm, CdS QDs的尺寸大约在5~9 nm。随着沉积层数的增加, CdS QDs的厚度增加, 同时伴随着光吸收边的红移。通过电流-电压特性曲线对其光电流-电压特性进行了分析, 发现光电流和光电转换效率均呈现出先增大后减小的规律。100 mW/cm²的光照下, 在S-CBD为7层时, 光电流和开路电压最大值分别达到2.49 mA·cm^-2和1.10 V, 而电池的效率达到最大值1.91%。     

具有可见光催化活性的MoS2量子点/NH2-MIL-125复合材料的制备及性能表征

采用水热法合成金属-有机骨架材料NH₂-MIL-125, 并修饰硫化钼量子点, 从而构筑具有增强电荷分离的二硫化钼量子点/NH₂-MIL-125复合光催化材料(MoS₂ QDs/NH₂-MIL-125)。利用XRD、HRTEM、DRS、PL对材料性能进行分析, 通过降解甲基橙MO染料测试MoS₂ QDs/NH₂-MIL-125复合材料的光催化性能。结果表明：尺寸约 4 nm的MoS₂ QDs均匀分散在NH₂-MIL-125上, 在可见光照射下, MoS₂ QDs/NH₂-MIL-125复合材料的光催化性能极大优于单一的Bulk MoS₂和NH₂-MIL-125, 降解常数分别是它们的5.8和7.4倍。循环光催化实验结果表明, MoS₂ QDs/NH₂-MIL-125复合材料的光催化能力具有良好的稳定性。DRS和PL的测试结果表明, MoS₂ QDs/NH₂-MIL-125复合材料优异的可见光催化性能主要归因于异质结构的形成, 抑制了光生电子-空穴的复合, 进而提高了光催化性能。     

超声辅助溶胶-凝胶法制备中空纤维TiO2超滤膜

TiO₂膜具有亲水性强和热化学稳定性好等优点而用于超滤分离, 但是TiO₂膜以管式膜为主, 渗透通量低且制备周期长。为了提高TiO₂膜的渗透通量, 并缩短膜的制备周期, 本工作以钛酸四丁酯为前驱体, 采用超声辅助溶胶-凝胶法制备高通量的中空纤维负载型TiO₂超滤膜。系统考察了硝酸与钛酸四丁酯的摩尔比(酸钛比)、超声时间和煅烧温度对TiO₂溶胶粒径及膜截留性能的影响。结果表明：当酸钛比为0.25时, 溶胶的平均粒径为3252 nm, 采用超声处理30 s后, 平均粒径减小至1817 nm。采用超声后的溶胶循环涂膜并在350 ℃煅烧两次后可得到完整无缺陷的中空纤维TiO₂超滤膜, 膜层平均厚度为1 μm, 膜的纯水渗透通量为145 L·m^-2·h^-1·bar^-1(1 bar=0.1 MPa), 葡聚糖截留分子量为2586 Da, 对应的平均孔径为2.5 nm。     

Ag2Se量子点共敏化固态染料敏化太阳能电池光电性能研究

采用水相共沉积法制备Ag₂Se量子点(QDs), 并与染料共敏化制备固态染料敏化太阳能电池(DSSCs)。考察了Ag₂Se量子点不同敏化方式(TiO₂/N719/QDs, TiO₂/QDs/N719)及敏化时间(0~5 h)对DSSCs性能的影响。通过透射电子显微镜(TEM)和紫外-可见光谱图(UV-Vis)对Ag₂Se量子点结构及光学性质进行了表征; 采用光调制光电流/电压谱(IMPS/VS)以及交流阻抗谱(EIS)对器件中载流子传输过程进行了研究。TiO₂/QDs/N719的电池器件比TiO₂/ N719/QDs具有更高的单色光量子转化效率(IPCE)及光电转化效率, 这是由于TiO₂/QDs/N719可以吸附更多的量子点和染料。随着Ag₂Se量子点敏化时间的延长, 光电转化效率先提高后降低, 最高达到3.97%。Ag₂Se量子点在器件中起到了阻挡层作用, 可以促进电子传输, 抑制电子-空穴复合。而随着量子点敏化时间超过2 h, 电子陷入陷阱的几率增加, 导致器件的光伏性能下降。     

N与La共掺杂纳米TiO_2/电气石复合材料的制备及其光催化性能

采用超声辅助溶胶-凝胶法,以钛酸丁酯为原料,尿素为N源,硝酸镧为La源,制备了N与La共掺杂纳米TiO_2/电气石复合材料。采用XRD、UV-Vis、SEM-EDS和XPS对复合材料的结构和性能进行了表征。以2,4,6-三硝基甲苯作为目标污染物,考察了N与La共掺杂纳米TiO_2/电气石复合材料的光催化活性及再生利用性能。结果表明:N与La共掺杂并负载电气石后,两者协同作用使TiO_2晶粒更加细化,光吸收范围向可见光区拓展,N与La共掺杂纳米TiO_2/电气石复合材料具有良好的光催化活性和再生利用性能,且在模拟可见光照射条件下对2,4,6-三硝基甲苯具有良好的去除效果。