纳米TiO2光催化剂可见光活性研究进展

作为新型环境污染治理技术和新型能源技术,纳米光催化是近年来国际上最为活跃的研究领域之一.纳米TiO2是目前最具应用前景的光催化剂之一,但其可见光活性低,不能有效利用太阳光,使其广泛工业应用受到极大的限制.本文主要从离子工程技术、非金属元素掺杂、共掺杂、多孔载体复合、机械化学法等方面系统地介绍了目前国内外在提高纳米TiO2光催化剂可见光活性的研究现状和最新成果.     

Ag-Ag2O/TiO2-g-C3N4纳米复合材料的制备及可见光催化性能

近年来,半导体光催化技术作为一项快速发展的新型环保技术,在降解水体中污染物和可再生清洁能源的生产领域有很大的应用前景。本文以所制备出的20 wt%类石墨烯碳氮化合物(g-C₃N₄)/TiO₂为基质,利用水热法中纳米Ag颗粒部分氧化行为成功合成了Ag修饰异质结型Ag-Ag₂O/TiO₂-g-C₃N₄复合材料。利用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、X射线光电子能谱(XPS)、紫外-可见漫反射光谱(UV-Vis DRS)、光致荧光光谱(PL)、瞬态光电流响应等分析测试手段对Ag-Ag₂O/TiO₂-g-C₃N₄复合材料的晶体结构、形貌、光学性质等进行表征和分析。以亚甲基蓝溶液为目标降解物,研究了Ag-Ag₂O/TiO₂-g-C₃N₄复合材料的可见光催化性能。结果表明:在纳米Ag颗粒修饰的Ag-Ag₂O/TiO₂-g-C₃N₄复合材料中,Ag部分氧化成Ag₂O;与g-C₃N₄的协同作用使Ag-Ag₂O/TiO₂-g-C₃N₄复合催化剂具有良好的可见光催化活性;可见光照射4 h后,Ag-Ag₂O/TiO₂-g-C₃N₄复合催化剂对亚甲基蓝的降解率接近50%。      

镍、硫共掺杂纳米TiO2的制备及其可见光催化性能

为提高纳米TiO2的可见光催化活性,采用沉淀-浸渍法制备了一种新型Ni和S共掺杂TiO2纳米复合光催化剂.通过紫外-可见(UV-Vis-)漫反射、X-射线衍射(XRD)、透射电子显微镜(TEM)和X-荧光(EDX)等手段对其结晶形态、晶粒尺寸、元素掺杂量和吸光性能等进行了表征.结果显示,催化剂Ni/S/TiO2为锐钛矿晶相,平均粒径约为6～7nm,比表面积高达260.42m2/g,感光范围可拓展到可见光区,且与纯TiO2,S掺杂TiO2和Ni掺杂TiO2相比,光催化剂Ni/S/TiO2的颗粒粒径更小,比表面积更大,光吸收边红移程度更显著.以活性艳蓝198染料溶液为模拟废水,以氙光灯为光源,对光催化剂Ni/S/TiO2的催化活性进行了评价.结果表明,Ni/S/TiO2具有比纯TiO2、S掺杂TiO2和Ni掺杂TiO2更高的可见光催化活性,氙光灯照射120min,活性艳蓝198降解率可达到98.5%.     

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。      

纳米TiO2-Pt复合材料的制备及在可见光下的光催化性能研究

采用低温水热法制备纳米棒状锐钛矿相TiO₂溶胶,以氯铂酸为Pt源,通过贵金属沉积制备不同含量Pt的纳米TiO₂-Pt复合材料。通过X射线衍射、扫描电子显微镜、透射电子显微镜、紫外可见吸收光谱、X射线光电子能谱分析对纳米TiO₂-Pt复合材料的表面形貌和光学性质进行了表征,利用氙灯照射模拟可见光光源对亚甲基蓝(MB)水溶液进行光催化反应降解,通过溶液前后吸光度值的变化来准确评价实验材料的光催化活性。结果表明：制备的二氧化钛溶胶尺寸均一,为标准的锐钛矿型;且Pt纳米粒子很好地分散于TiO₂表面,正是由于铂层的存在,有效抑制了光生电子-空穴的复合,延长了光生载流子的工作寿命,提升了量子效能,使TiO₂-Pt的光催化活性远高于普通TiO₂,对亚甲基蓝的光降解效果也达到了88.5%。     

水热合成的MoS2/石墨烯/N-TiO2复合材料的可见光催化性能

以氧化石墨烯(GO)、钼酸、硫脲和TiN为原料,成功制备了MoS_2/石墨烯/N-TiO_2(MGNT)复合材料。利用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、高分辨透射电子显微镜(HR-TEM)、X射线光电子能谱(XPS)及紫外-可见漫反射光谱(UV-Vis DRS)等手段测试分析了样品的物相组成、形貌、成分和光吸收性能。紫外-可见漫反射测试结果表明,MoS_2、石墨烯共同修饰及氮掺杂使得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,MoS_2/石墨烯共同修饰的氮掺杂TiO_2的光催化降解性能分别是氮掺杂TiO_2(NT)和石墨烯修饰氮掺杂TiO_2(GNT)的1.82倍和1.59倍,其吸附性分别为氮掺杂TiO_2、石墨烯修饰氮掺杂TiO_2的11.14倍和4.77倍。     

TiO2增强桉木/聚氯乙烯复合材料耐腐蚀性能

为改善桉木/聚氯乙烯（PVC）复合材料耐霉菌（黑曲霉）腐蚀性能,添加TiO₂制备TiO₂-桉木/PVC复合材料,并对复合材料进行霉菌加速腐蚀试验（加速腐蚀条件:温度为28℃,湿度为85%）。对比研究了腐蚀前后TiO₂-桉木/PVC复合材料的色差、力学和吸水性能及官能团、微观形貌和热稳定性变化。结果表明:TiO₂可提高桉木/PVC复合材料的耐霉菌腐蚀性能,TiO₂添加量为2wt%时,TiO₂-桉木/PVC复合材料腐蚀后表观霉菌相对较少,色差值和吸水率较未添加TiO₂的桉木/PVC复合材料分别降低了69.32%和13.33%;拉伸、冲击及弯曲强度、弯曲模量分别提高了31.17%、39.44%、40.75%、10.99%;2wt% TiO₂-桉木/PVC复合材料热分解各阶段失重温度较高,热稳定性较好;TiO₂添加量较高时会影响桉木纤维与PVC的界面结合,致使TiO₂-桉木/PVC复合材料更易受到霉菌的腐蚀。      

Ru掺杂TiO2和TiO2/SiO2光催化剂的制备及可见光分解水制氢性能研究

采用溶胶-凝胶法制备了系列Ru/TiO2和Ru/TiO2/SiO2可见光活性光催化剂。通过TEM、XPS、XRD、UV-Vis漫反射和电化学对样品进行了表征。发现Ru和Si的存在可以抑制TiO2的相转变和晶粒生长;Ru掺杂使TiO2和TiO2/SiO2对可见光的吸收增强,也提高了光生电子和空穴的分离,因而,提高了催化剂可见光分解水制氢活性。当Ru在TiO2和TiO2/SiO2中的掺杂量分别为0.014%和0.021%(质量分数)时,光催化剂的可见光活性最高,且Ru/TiO2/SiO2活性为Ru/TiO2的5倍。     

还原氧化石墨烯@Ag2O改性TiO2基复合材料的制备及其可见光催化性能

制备了还原氧化石墨烯（rGO）@Ag₂O共同改性TiO₂基复合材料（rGO@Ag₂O/TiO₂）,并研究了其可见光催化性能。结果表明,三元复合材料rGO@Ag₂O/TiO₂的可见光催化性能远优于一元纳米TiO₂和二元rGO/TiO₂、Ag₂O/TiO₂复合材料,当可见光照射120 min后,溶液中约100%的罗丹明B分子被rGO@Ag₂O/TiO₂降解。rGO@Ag₂O/TiO₂三元复合材料可见光催化效率的提高主要源于窄带隙半导体Ag₂O和高电导率材料rGO的引入,使形成的rGO@Ag₂O/TiO₂三元复合材料具有强的可见光吸收能力和光生电子空穴对分离能力。     

氧缺陷型TiO2-x可见光催化性能的研究

采用氢气还原法制备氧缺陷型二氧化钛(TiO2-x),考察氧气氛中不同返烧温度对TiO2-x性能的影响.利用X射线光电子能谱、电子自旋共振谱、紫外?可见漫反射光谱和荧光光谱等技术对样品的表面化学状态、氧缺陷位的种类、光吸收性能和光生载流子的分离效率等性质进行了表征,并以气相的苯为模型污染物,研究催化剂样品在可见光(λ>400nm)照射下的光催化氧化能力.结果表明,与未返烧的催化剂相比,返烧后TiO2-x对苯的光催化氧化降解能力显著提高,反应4h、催化剂活性稳定后,经300℃返烧的TiO2-x样品对苯的转化率为36.9%,是未返烧样品的5.3倍.还原过程中生成的体相氧缺陷位(束缚单电子的氧空位)是催化剂具有可见光催化性能的主要原因,返烧热处理减少了催化剂表面氧缺陷位(Ti3+)的浓度并有效地抑制了光生载流子的复合.     

TiO2/Bi2WO6复合光催化剂的制备及光催化性能研究

TiO₂/Bi₂WO₆异质结是当前最具潜力的一种可见光响应半导体光催化剂。以富含缺陷的TiO2纳米带为基体,采用水热法,诱导Bi2WO6在基体缺陷位点进行异质生长,从而合成具有异质结构的TiO₂/Bi₂WO₆复合材料。利用XRD、SEM、UV-Vis等技术,分析了基体表面缺陷、Bi2WO6负载量对TiO₂/Bi₂WO₆复合材料微观结构和性能的影响。结果表明,在基体表面引入缺陷,可以使TiO₂/Bi₂WO₆复合材料在可见光下对有机污染物Rh B的降解速率提高约50%。Bi2WO6负载量为0.12时的TiO₂/Bi₂WO₆复合材料,在可见光下,辐照6 min后对Rh B的降解率达99.3%,辐照30 min后对MB的降解率达99.7%,辐照15 min后对TC-HCl的降解率达87.7%。     

氮掺杂TiO_2中空复合微球的制备及可见光光催化性能

为了提高TiO2的可见光光催化性能,以微米级聚苯乙烯微球为模板,钛酸四丁酯为前驱体,三乙胺为氮源,采用静电吸附自组装法制备了粒径为1.20μm、壳层的厚度约为30nm且球形形貌良好的氮掺杂TiO2中空复合微球,采用SEM、XPS、XRD和紫外-可见分光光度计研究了其结构及光催化性能。结果表明:氮进入TiO2晶格内取代了部分O并改变了晶格中Ti和O的化学状态,但对TiO2晶型结构没有明显影响;氮掺杂后的TiO2中空复合微球禁带宽度变窄,氮掺杂TiO2中空复合微球不仅在紫外区有较强的光吸收能力,在可见光区也表现出较强的光响应性,对甲基橙的光催化降解率较Degussa P25型纳米TiO2的明显增强。研究结果对TiO2在光催化领域的应用具有理论指导意义。     

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。     

Nanoscale ZnS/TiO2 composites: Preparation, characterization, and visible-light photocatalytic activity

Photoactive ZnS/TiO₂ nanocomposites were prepared via microemulsion-mediated solvothermal method. The structure, composition, physicochemical property, and morphology of the composites were characterized by powder X-ray diffraction (XRD), Raman scattering studies, UV diffuse reflectance spectroscopy (UV/DRS), photoluminescence (PL) spectroscopy, and transmission electron microscopy (TEM). It showed that the composites were cube-shaped with particle sizes of 10 to 15 nm, and the phase structure for ZnS and TiO₂ in the composites was cubic and anatase, respectively. The content of the ZnS in the composites was 2.1%, 10.7%, and 19.9%, respectively. Compared with the solitary anatase TiO₂, the ZnS/TiO₂ exhibited enhanced visible-light photocatalytic activity for the aqueous parathion-methyl degradation. Factors including the interactions between the phases of ZnS and TiO₂, strong adsorption of the substrate at the surface of the ZnS/TiO₂ nanocomposites, and preassociation of the substrate and composites are responsible for this enhancement photocatalytic activity.     

MoS2/Sb2S3复合光催化剂的制备及其可见光催化性能

通过一步水热法制备出MoS₂/Sb₂S₃可见光复合催化剂,采用XRD、SEM、紫外可见漫反射（UV-Vis DRS）和XPS表征手段对MoS₂/Sb₂S₃复合光催化剂进行了表征,以罗丹明B（RhB）作为目标污染物进行降解实验。与纯Sb₂S₃和MoS₂相比,MoS₂/Sb₂S₃复合光催化剂对RhB的光催化降解具有更高的效率,表现出优异的吸附性能和光催化性能。同时在相同的实验条件下,与TiO₂、Bi₂S₃、C₃N₄、Sb₂S₃等催化剂相比,MoS₂/Sb₂S₃复合光催化剂表现出更为优异的光催化性能。此外,探究了MoS₂/Sb₂S₃复合光催化剂光催化降解机制,阐述了光催化反应机制,提供了一种适用于降解较高浓度有机废水的光催化剂制备方法,具有一定的应用价值。      

TiO2-ZnO复合中空微球的制备及光催化性能

以Ti（SO₄）₂和Zn（NO₃）₂为原料,采用水热法制备TiO₂-ZnO复合中空微球光催化剂。通过FTIR、XRD、SEM、紫外可见漫反射光谱（UV-Vis DRS）、XPS及N₂吸附-脱附等方法对TiO₂-ZnO复合光催化剂的结构和性能进行表征,并以亚甲基蓝（MB）为目标降解物,评价TiO₂-ZnO复合中空微球光催化活性。结果表明,TiO₂-ZnO光催化剂具有中空微球结构,粒径为1~2 μm,比表面积为30.46 m2/g。TiO₂的加入可提高ZnO对光的吸收,有效降低电子空穴复合率。在高压Hg灯照射下,TiO₂-ZnO复合中空微球的光催化性能均高于纯ZnO,其中Zn（NO₃）₂与Ti（SO₄）₂摩尔比为1:0.7条件下制备的TiO₂-ZnO复合中空微球样品表现出较好的光催化活性,光照60 min,对MB的降解率可达95.8%,其光催化降解速率是纯ZnO的4.3倍。      

Preparation and visible-light photocatalytic activity of In2S3/TiO2 composite

A novel In₂S₃/TiO₂ composite with visible-light photocatalytic activity was prepared by a chemical precipitation method and characterized by X-ray diffraction (XRD), transmission electron microscope (TEM), scanning electron microscope and UV–vis diffuse reflectance spectroscopy. Under both UV- and visible-light irradiation, the In₂S₃/TiO₂ composite shows good photocatalytic activity to degrade methyl orange, ascribed to the absorption of visible light by In₂S₃ sensitizer and enhanced separation of photoinduced electron–hole pairs in the composite semiconductors.     

一步水热合成Sm3+-SrTiO3/TiO2复合纳米纤维及可见光催化性能

以电纺TiO₂纳米纤维为基体和反应物,通过一步水热法,将SrTiO₃原位构筑在TiO₂纳米纤维表面的同时将稀土Sm³⁺掺入SrTiO₃中,合成了Sm³⁺-SrTiO₃/TiO₂复合纳米纤维光催化材料.利用XRD、XPS、FESEM和HRTEM等测试手段对样品进行了表征.以罗丹明B和对氯苯酚模拟有机污染物进行光催化降解.结果表明：稀土Sm³⁺掺杂进入SrTiO₃晶格取代Sr²⁺,在SrTiO₃禁带内形成杂质能级,拓宽了光谱响应范围;同时在SrTiO₃晶格内引入了缺陷位,成为电子的捕获中心,降低了载流子的复合几率;而SrTiO₃与TiO₂复合形成异质结,进一步提高了光生电子-空穴的分离程度,Sm³⁺-SrTiO₃/TiO₂复合纳米纤维表现出良好的可见光催化活性。     

可见光诱导TiO2光催化及其机理研究进展

简述了二氧化钛的光催化机理。针对其禁带宽度较大,只能被小于387nm的紫外光所激发的缺点,综述了近年来国内外针对纳米TiO2可见光催化的改性方法和改性机理研究进展,包括离子掺杂、半导体复合、表面光敏化等方法。最后展望了提高纳米TiO2可见光光催化活性研究的前景。