非金属元素掺杂TiO2的可见光催化活性研究进展

TiO2(锐钛矿)的禁带宽度限制了其光诱导特性的广泛应用,非金属元素掺杂为TiO2在可见光辐射环境下的应用提供了新的机会.详细介绍了非金属元素(N、C、S、F)掺杂TiO2的制备方法和可见光催化活性研究的最新进展,讨论了制备工艺与掺杂TiO2可见光催化活性的关系,深入分析了非金属元素对TiO2可见光催化活性的诱导机理.制备工艺显著影响了掺杂元素的化学态和含量,从而决定了掺杂TiO2带隙中局域态的特征.带隙中局域态特征正是影响掺杂TiO2可见光催化活性的关键因素.文章也对未来的研究方向进行了展望.     

硼掺杂二氧化钛光催化剂的研究进展

硼掺杂TiO_2光催化剂已成为非金属掺杂材料研究的热点之一.简要介绍了B掺杂TiO_2的制备方法,集中论述了B在TiO_2晶格中的掺杂状态、形貌及其光催化活性机理.B掺杂TiO_2粉末的制备方法主要有溶胶-凝胶法、机械-化学法、离子植入法、水热合成法、电化学沉积法和气溶胶辅助流法.在掺杂状态上,B在TiO_2晶格中主要以替代O方式存在.B掺杂后,TiO_2的带隙能、晶相都发生了不同程度的变化,由此产生的Lewis酸性位点、氧空位以及电子转移方式的变化可能是导致B掺杂TiO_2光催化效率提高的原因.最后指出了B掺杂TiO_2研究中有待解决的问题.     

Cu、N共掺杂纳米TiO_2制备及光催化活性研究

通过溶胶-凝胶法制备了纯TiO_2、掺杂Cu、掺杂N以及Cu和N共掺杂的纳米TiO_2,并利用XRD、XPS和UV-Vis漫反射光谱等技术进行分析,以二甲酚橙为目标降解物对光催化活性等进行了研究。结果表明,纯TiO_2、掺杂Cu、掺杂N以及Cu和N共掺杂的纳米TiO_2均为锐钛矿晶型,掺杂使得晶粒尺寸变小,吸收阈值红移,使其可见光吸收率比未掺杂的纳米TiO_2有了很大提高,最终导致其光催化降解二甲酚橙的活性得到显著增强。     

可见光催化剂SxTi1-xN2-yOy的制备及其光电特性的研究

通过加热法制备了具有可见光催化活性的新型光催化剂SxTi1-xN2-yOy。紫外-可见漫反射及表面光电压谱研究结果表明，此催化剂在可见光下有很强的光吸收能力，由于N、S元素的掺杂方式分别为阴离子和阳离子两种不同的形式，故这种二元非金属改性的催化剂具有互补作用，从而提高了其可见光催化活性。     

石墨烯修饰氮掺杂TiO2纳米材料的制备及光催化性能

以TiN粉末煅烧制备的氮掺杂纳米TiO_2(N-TiO_2)和氧化石墨烯为原料,在水热条件下制备了石墨烯修饰的氮掺杂TiO_2纳米材料(GNT)。利用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、高分辨透射电子显微镜(HR-TEM)及X射线光电子能谱(XPS)等测试手段对所制备的样品进行了表征。紫外-可见漫反射吸收谱表明石墨烯与氮掺杂的共修饰使得TiO_2的吸收带边发生红移,且其可见光吸收性能明显提高。可见光照射下降解亚甲基蓝溶液的实验结果表明石墨烯修饰的氮掺杂TiO_2的光催化降解性能分别是TiO_2、N-TiO_2的4.3倍和1.9倍。     

氮掺杂TiO2光催化剂研究进展

对TiO2光催化剂进行改性,实现可见光催化活性是第二代光催化剂走向实用化的关键.氮掺杂TiO2是一种理想的具有可见光活性的光催化剂,由于N 2p态与O 2p态杂化,实现带隙窄化和吸收带边红移,对于实现可见光催化活性具有重要意义.评述了氮掺杂改性TiO2光催化剂的国内外研究现状,分析了不同掺杂方法对于实现TiO2可见光催化活性的掺杂机理和改性机理,提出研究合适的催化剂载体对TiO2进行氮等非金属负载是今后努力的方向,并且应该建立统一的催化剂性能评价标准.     

Zn、Co单掺杂及Co-Zn共掺杂TiO2纳米材料协同抗菌效应的研究

采用溶胶-凝胶法对TiO_2进行Zn、Co单一掺杂及Co-Zn共掺杂改性。以大肠杆菌、金葡萄球菌、白念球菌为实验菌种,研究在可见光照射下各掺杂元素、反应因素对对抗菌活性的影响。运用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、比表面仪(BET)、傅里叶变换红外光谱(FT-IR)和紫外可见漫反射光谱(UV-Vis-DRS)等测试手段对材料进行表征。实验结果表明,Zn离子掺杂可以引起TiO_2能级结构的变化,既可以接受TiO_2价带上的激发电子,也可以吸收光子使电子跃迁到TiO_2的导带上,另外Zn/TiO_2纳米材料中含有27%的ZnTiO_3,ZnTiO_3具有光催化活性,能够抑制菌种生长;Co/TiO_2纳米材料掺杂改性抗菌剂中,Co组分的存在通过抑制TiO_2的晶粒长大,使TiO_2晶粒尺寸减小,从而增大晶粒的比表面积。Co离子单掺杂在TiO_2能隙中引入了Co4f杂质能级,即TiO_2的价带与Co的4f电层间发生了迁移,生成捕获能级,降低了禁带宽度,增加了Co/TiO_2对可见光的吸收,增进抗菌剂的光催化性能,提高抗菌性;Co-Zn/TiO_2纳米材料的抗菌效果最优,Zn、Co共掺杂TiO_2促进了Zn、Co离子的溶出。由于Zn、Co离子本身也具有杀菌作用,它们渗透细菌细胞壁并抑制酶活性导致细菌死亡,但是可能由于对微生物攻击的目标不同,当微生物同时接触Zn和Co离子时,细胞膜上的不同位置都受到了攻击,导致更有效的损伤。     

钌掺杂TiO2纳米粉体的制备及光催化性能研究

采用溶胶-凝胶法制备了Ru掺杂TiO_2纳米粉体。采用X射线衍射(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、X射线光电子能谱(XPS)、紫外可见漫反射光谱(UV-Vis)等测试手段对其进行了表征,以亚甲基蓝为模拟污染物,评价了不同热处理条件下的粉体在可见光下的光催化活性。结果表明:Ru掺杂对TiO_2纳米粉体的微观形貌没有明显影响,但抑制了TiO_2锐钛矿相向金红石相的转变,也抑制了晶粒的长大;Ru掺杂能轻微促进TiO_2表面活性基团TiOH的生成;Ru掺杂未改变TiO_2的吸收边带,但可大大提高TiO_2对可见光的吸收能力;Ru掺杂降低了TiO_2纳米粉体的可见光催化性能。     

规整TiO_2纳米管阵列制备及其沉积改性研究进展

TiO_2纳米管具有结构规整、比表面积大、催化活性高等优点,近年来受到越来越广泛的关注。然而受TiO_2纳米材料本身禁带宽度的限制,其仅在紫外光范围内有较高的催化效果,对太阳光谱的整体利用率很低。如何提高TiO_2纳米材料的光生电子利用率以及拓展其对可见光的吸收范围是目前研究领域内的热点,而采用元素掺杂可有效改善TiO_2纳米材料的能级结构。综述了金属元素、非金属、金属氧化物及半导体掺杂改性TiO_2纳米管的研究进展,为设计制备新一代TiO_2基高效催化剂以及加快TiO_2纳米材料的工业化应用进程提供依据。     

非金属离子掺杂TiO2的可见光光催化性能研究

具有廉价、环保的可见光响应光催化剂的研究开发是走向工业化的关键。非金属掺杂TiO2是近几年发展起来的一种新型光催化剂，它可以使复合禁带宽度小于纯TiO2的禁带宽度，使TiO2的吸收边红移至可见光区。对可见光响应的非金属掺杂TiO2光催化剂的研究进行了综述。     

简单有效氮掺杂TiO2纳米微晶的制备、表征及其可见光活性

以尿素为氮源,采用简单的酸催化溶胶-凝胶法制备了氮掺杂TiO2纳米光催化剂,以甲基橙在可见光照射下的光催化降解为探针反应,评价了其光催化活性。运用XRD、XPS和UV-Vis DRS光谱表征技术考察了氮掺杂TiO2样品的微晶尺寸、晶相结构、表面组成及其吸光特性。结果表明氮掺杂减小了TiO2的带能隙,氮掺杂TiO2纳米微晶对400～530nm的可见光有较强的吸收,在降解甲基橙的实验中表现出良好的可见光催化活性。其中,400℃焙烧制得的具有单一锐钛矿相型,晶粒尺寸为14.94nm的TiO1.9904N0.0096样品的可见光催化活性最佳。     

一步水热法制备N,S（F）共掺杂TiO2纳米管及其可见光催化性能

以尿素、硫脲和氟化铵为掺杂物,采用一步水热法制备可见光响应的不同非金属共掺杂TiO2纳米管(TiO2NT)。通过SEM、TEM、XRD、BET、FT-IR、UV-Vis DRS等对样品进行了表征,考察其吸附性能及在模拟太阳光下对甲基橙的降解活性。结果表明,在碱性条件下一步水热法制备的不同非金属共掺杂TiO2NT具有较大的比表面积(193.93 m2/g)和较小的带隙能(2.76eV),非金属共掺杂明显提高了可见光利用率。在可见光辐照下,硫脲掺杂TiO2纳米管(N,S-TiO2NT)复合材料的光催化性能最好,反应100min后甲基橙降解率可达87.4%,降解过程符合一级动力学方程。     

金属非金属共掺杂TiO2纳米管的研究进展

部分金属掺杂TiO2纳米管可以有效提高其光电转换效率;而很多非金属的掺杂可以拓宽TiO2纳米管的光谱响应范围从而提高对可见光的利用率。金属和非金属共掺杂则可以使两者协同作用。介绍了金属与非金属掺杂TiO2纳米管的机理、制备方法和研究现状,并在此基础上指出了现如今存在的问题并对其发展趋势进行了展望。     

掺杂型TiO_2光催化研究的最新进展

长期以来,二氧化钛(TiO_2)一直被认为是一种有前景处理污染物的半导体材料。但其在可见光下禁带宽度较大、催化效率较低等限制了其在可见光下的运用。目前该领域最具有价值的研究进展是在TiO_2结构中引入其他成分使该材料在可见光下具有光催化降解污染物的能力,其主要类型包括金属掺杂、非金属掺杂和共掺杂。笔者综述了这些制备方法提高TiO_2光催化效率的途径及机理的最新进展,旨在为今后进一步扩大高光催化效率TiO_2的开发以及实际应用提出新的方向。     

喷雾燃烧热分解制备Cr掺杂TiO2纳米粒子的可见光催化性能

采用一步喷雾燃烧热解法制备了Cr掺杂TiO₂纳米粒子,研究了Cr掺杂对样品微结构、吸光特性和可见光催化活性的影响. 结果表明：增加Cr掺杂量抑制锐钛矿相的形成,同时促进金红石相的形成. 在低Cr掺杂量下(≤1%）,Cr主要以Cr³⁺的形态进入TiO₂晶格,而Cr掺杂量过大时,易于形成Cr₂O₃团簇. 光催化降解2,4-二氯苯酚结果表明,适量的Cr³⁺掺杂可以有效地提高TiO₂的可见光催化活性,获得最高光催化活性的Cr³⁺掺杂量为1at%. 样品可见光催化活性的提高主要与Cr掺杂引起的可见光吸收增强、晶相组成改善以及光生电子和空穴传输效率提高有关.     

共掺杂改性TiO2光催化剂的研究进展

TiO2具备化学稳定性好、催化活性高、无污染、价格低廉等优点,在光催化领域有广阔的发展前景,但禁带宽度较大、可见光吸收能力差等缺点影响了TiO2在生产生活中的推广利用.本文综述了共掺杂改性TiO2在光催化领域的研究进展,介绍了纳米TiO2的光催化机理,分析比较了金属与金属共掺杂、非金属与非金属共掺杂、金属与非金属共掺杂三种改性方式对TiO2光催化性能的影响;指出共掺杂改性可以通过降低禁带宽度、产生可见光效应、抑制光生电子空穴复合等方式提高TiO2的光催化活性;总结了有关共掺杂作用机理和离子间协同作用的研究成果,提出了当下共掺杂改性TiO2研究存在的不足之处,并对今后的研究方向进行了展望.     

氮-镨共掺杂TiO_2的制备及催化性能研究

为了提高TiO_2的光催化性能,采用溶胶凝胶法制备了N和稀土Pr共掺杂TiO_2光催化剂。用XRD、SEM和紫外-可见光分度计对样品进行表征,并考察了掺杂量、煅烧温度和晶型对TiO_2光催化性能的影响。研究发现N-Pr混合改性的TiO_2的催化活性均高于未改性的,5%的N和0.5%的Pr混合掺杂并经500℃锻烧后,样品为单一的锐钛矿相且粒径分布较窄,在模拟灯光照射下表现出较高的光催化活性和降解甲基橙溶液的能力,在80 min内使甲基橙溶液的降解率达到了99%。     

半导体纳米材料的制备及其光催化制氢的研究进展

自1972年发现TiO_2光解水后,利用太阳光驱动水的劈裂制H_2(光解水)技术被认为是一项长期的、高风险、高回报的战略性研究课题。一方面,具有与太阳光谱较为匹配能隙的半导体(如:WO_3、CdS等)存在光腐蚀及有毒等问题。而p-型InP、GaP、GaInP_2等虽具有理想的能隙,且一定程度上抗光腐蚀,因其能级与光解水能级不匹配,需施以偏压才可实现光解水。另一方面,光化学稳定的半导体氧化物(如:TiO_2)的能隙太宽(以≤2.0 eV为宜)只能吸收紫外光,但是可见光占整个太阳光谱能量的43%。因此,增大半导体对可见光的响应,提高其量子产率意义重大。以羧酸钌(Ⅱ)联吡啶敏化TiO_2的Gr(?)tzel纳米晶光电化学电池(NPC)的光电转换效率已稳定在10%的研究成果为契机,大量的研究集中在染料敏化拓展半导体对可见光的响应,提高量子效率等方面。此外,虽有掺杂氧化物利用牺牲试剂在可见光下光解水的报道,然而尚很少有利用可见光以传统机理劈裂水为H_2和O_2的报道,而且关于析O_2反应的情况很不详尽。而目前几乎所有已知的染料在析O_2反应时都不稳定,使得上述染料敏化NPC池不适于析O_2。虽然有报道称层状BiVO_3...     

喷雾燃烧热分解制备Cr掺杂TiO2纳米粒子的可见光催化性能

采用一步喷雾燃烧热解法制备了Cr掺杂TiO₂纳米粒子,研究了Cr掺杂对样品微结构、吸光特性和可见光催化活性的影响. 结果表明：增加Cr掺杂量抑制锐钛矿相的形成,同时促进金红石相的形成. 在低Cr掺杂量下(≤1%）,Cr主要以Cr³⁺的形态进入TiO₂晶格,而Cr掺杂量过大时,易于形成Cr₂O₃团簇. 光催化降解2,4-二氯苯酚结果表明,适量的Cr³⁺掺杂可以有效地提高TiO₂的可见光催化活性,获得最高光催化活性的Cr³⁺掺杂量为1at%. 样品可见光催化活性的提高主要与Cr掺杂引起的可见光吸收增强、晶相组成改善以及光生电子和空穴传输效率提高有关.     

N掺杂TiO_2薄膜的光催化性能研究

开发具有可见光活性的光催化剂,在污染物处理和光能转换等方面,都有很大的应用价值。掺杂改性则是实现TiO_2可见光活性的重要手段之一。文献表明,在非金属元素掺杂中,N掺杂效果最为理想,已经成功地将光响应波长红移到可见光区,取得了很好的光催化活性。目前所制备的N掺杂TiO_2光催化剂主要有粉末和薄膜两种。粉末状催化剂较易制备,但存在难以回收的缺点;而采用简单方法制备高催化效率的薄膜仍存在一些困难。采用溶胶-凝胶法制备了N掺杂改性的TiO_2薄膜以及SiO_2/TiO_2、FeCe/SiO_2/TiO_2等类型的复合薄膜,研究了镀膜的类型和层数、热处理温度和气氛,尿素、硫脲等不同氮源和掺杂量对薄膜光催化性能的影响;并且采用XRD、SEM、XPS、AES等分析了膜层的成分、相结构、表面形貌、膜厚、附着力,结合掺杂离子的类型、浓度、能级、电子构型、半径和化合价等因素,研究工艺条件对TiO_2的能带、异质结构的影响,研究了玻璃薄膜光催化活性变化的机理,特别是对TiO_2吸收边红移的作用机理。