La掺杂TiO_2纳米材料的制备及光催化性能研究进展

稀土掺杂对TiO_2改性可以拓宽光谱响应范围、提高量子效率及太阳能利用率,是提高TiO_2纳米材料光催化活性及可见光吸收能力的重要方法。综述了近年国内外有关La掺杂TiO_2纳米材料的制备及光催化性能研究进展,主要分析了La掺杂材料的制备方法、物相特征以及La与其他元素共掺杂等方面的研究现状,并进一步指出La掺杂TiO_2目前存在的问题以及未来的研究方向。     

镧系元素改性TiO_2催化剂的研究进展

TiO_2纳米材料是当前纳米科技的研究热点,在环境净化、光电催化、化学传感等领域具有非常广阔的应用前景。但是对可见光利用率低、光量子效率很低成为制约其应用的瓶颈,通过镧系元素掺杂改性的方法,可以显著拓宽对可见光谱的响应范围、提高吸光系数,进而提高其光催化率。综述了镧系元素掺杂TiO_2的光催化机理及制备方法的研究进展,展望了今后值得关注与研究的问题。     

稀土元素掺杂TiO_2研究进展

TiO_2由于其优异的光电性能在环境保护、太阳能电池、抗菌抑菌等领域都有重要的应用。而纯TiO_2因为太阳能利用率较低以及光生电子空穴对较快的复合使其性能不能得到充分发挥。稀土元素掺杂能减小禁带宽度以及捕获光生电子或空穴,使光催化性能以及光电转换效率提高。综述了近年来稀土元素单掺杂、稀土元素共掺杂TiO_2的制备以及研究最新进展。     

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。     

TiO2基光电化学传感器电极结构调控的研究进展

TiO_2因具有无毒、廉价、化学稳定性好以及表面易修饰生物基团等优点,受到研究者的广泛关注。然而,TiO_2存在对太阳能可见光利用率低、光生电子空穴易发生复合等缺点。通过与窄带隙半导体、有机分子、碳材料和贵金属等材料复合,可提高TiO_2的光吸收能力、光生电子空穴分离能力,进而拓展TiO_2的实际应用领域。本文对基于TiO_2的光电化学传感器的研究进展进行了概述,其中重点介绍了通过TiO_2纳米材料的改性来提高TiO_2基光电化学传感器的传感性能,最后提出了TiO_2复合纳米材料光电化学传感器的优势和不足,展望了其未来发展趋势。     

不同种类金属掺杂改性TiO2材料光催化性能的研究进展

半导体光催化剂因可以直接利用太阳光进行光催化且不产生二次污染,成为一种应用于环境污染治理领域较为理想的材料。其中TiO_2光催化剂具有较高的光稳定性、良好的化学性质、无毒、较低的成本、高的光催化效率等特点,目前受到广泛的研究与关注。然而,TiO_2快速复合的电子-空穴及较大的禁带宽度等自身缺陷,导致其量子产率不高,TiO_2中的电子只能在紫外光下被激发,这些因素使得它的光催化性能受到了制约。因此,近年来通过研究不同的金属元素掺杂TiO_2基光催化剂及研究不同特殊微纳结构来克服TiO_2自身缺陷以改善其光催化性能并取得较大的进展。研究发现,通过将不同金属(如Ag、Fe、Cu、Ce等)以一元、二元、多元的形式掺入TiO_2中,可改善TiO_2的自身缺陷,并在催化剂表面产生不同作用,使其光响应范围增大,光催化性能显著提升。此外,研究者们还发现,特殊微纳结构的存在可以加快金属掺杂TiO_2基光催化材料的电子转移,从而提高TiO_2光生电子-空穴的分离效率,增加了其量子产率。金属掺杂后,TiO_2对有机物的降解率及其产氢能力、光能转化率都得到了显著的提高,使其不仅在紫外光下具有优异的性能,而且在可见光下也能进行良好的光催化。掺杂后TiO_2的抗菌效果与防雾性能也得到了显著的提升。本文一方面综述了不同金属掺杂体系(一元、二元复合以及多元复合掺杂)对TiO_2结构及其光催化性能的改变,总结不同制备工艺对TiO_2结构与性能的影响规律,并分析光催化性能的增强机制。另一方面概述了金属掺杂TiO_2基复合材料的一些特殊微纳结构包括石墨烯包覆结构、核-壳结构以及其他结构的制备工艺,并讨论了不同微纳结构与金属掺杂在增强TiO_2光催化性能上所起的作用。最后简单综述了不同金属掺杂TiO_2纳米复合材料的不同应用,展望了未来研究方向及应用领域。     

Sm掺杂TiO_2涂层制备与表征

采用溶胶凝胶-浸溃提拉法在304不锈钢上制备了纯TiO_2涂层与Sm掺杂TiO_2涂层,通过XRD、EDS、SEM对涂层进行物相组成以及表面形貌表征。结果表明:纯TiO_2与Sm掺杂TiO_2均为锐钛矿结构,Sm掺杂后TiO_2粒径减小,晶型完整性降低。Sm掺杂TiO_2涂层的包覆效果优于纯TiO_2涂层,涂层中单颗粒子小于纯TiO_2涂层,且分散性得到改善。     

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。     

碳掺杂TiO2纳米管的制备和表征及在污水处理方面的应用

采用阳极氧化法制备了TiO_2纳米管,然后采用水热法在纳米管表面掺杂了更小纳米尺寸的碳。采用场发射扫描电镜和透射电子显微镜在5nm尺度下对复合纳米材料进行了表征,揭示了锐钛矿掺杂碳的复合界面机理。通过红外线吸收光谱测得掺杂碳的TiO_2纳米复合材料对可见光有更高的吸收能力。     

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。     

铜掺杂TiO_2光催化剂的制备及光催化亚甲基蓝研究

利用溶胶-凝胶法以钛酸四丁酯、硝酸铜为原料制备了不同质量分数铜掺杂的TiO_2光催化剂,采用X射线衍射仪(XRD)、比表面积及孔径测定仪(BET)、热失重分析仪(TG-DTA)、扫描电镜(SEM)、X射线能量散射谱仪(EDS)和透射电镜(TEM)对其进行了表征。结果表明,铜掺杂进入TiO_2晶格,掺杂后TiO_2在400~600℃之间为锐钛矿型结构,700℃时为金红石型结构,掺杂后比表面积降低。以制备的铜掺杂TiO_2光催化剂对亚甲基蓝进行光催化降解实验,结果表明,亚甲基蓝的降解率显著提高,当铜掺杂质量分数为0.3%时,TiO_2光催化剂4h可降解亚甲基蓝90%左右。     

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。     

TiO_2光催化剂的掺杂改性及应用研究进展

国内外关于纳米TiO_2光催化剂有着广泛的研究和应用。离子掺杂能拓宽TiO_2光谱吸收范围,有效改善其光催化活性。综述了离子掺杂改性纳米TiO_2光催化剂的研究进展,分析了金属离子掺杂、非金属离子掺杂、多种不同离子共掺杂的掺杂机理及对TiO_2光催化性能的影响,介绍了纳米TiO_2光催化剂在污水处理中的应用现状。最后指出离子掺杂TiO_2和纳米TiO_2光催化剂在污水降解中存在的问题,并对今后的研究方向做了展望。     

Ta掺杂提高TiO_2光催化效率及对微观结构的调制

采用Ta元素掺杂TiO_2光催化剂,研究掺杂引起的光催化效率变化、微观结构改变和催化剂改性的机制。采用溶胶凝胶法制备不同浓度的Ta元素掺杂纳米TiO_2光催化剂,并通过降解罗丹明B表征其光催化性能。通过X射线衍射、拉曼光谱和X射线光电子能谱分析Ta掺杂纳米TiO_2催化剂晶相、微观结构、元素组成和化合价等。结果表明:Ta掺入纳米TiO_2催化剂后,Ta原子将取代Ti的位置,以Ta~(5+)形式存在于TiO_2晶格中,促进掺杂样品中形成氧空位,可以有效提高电子密度,并抑制光生载流子复合,从而提高催化效率。当掺杂比例n_(Ta)/n_(Ti)为3%时,光催化效率最高,光照2 h对罗丹明B降解率高达83.8%,是未掺杂样品的2倍以上。     

氧含量对磁控溅射Nb掺杂TiO_2薄膜结构与性能的影响

采用三靶磁控共溅射法在玻璃衬底上制备了Nb掺杂TiO_2透明导电薄膜。研究了在不同氧含量时薄膜的结构和光电性能。实验结果表明:氧含量的变化能改变Nb掺杂TiO_2薄膜晶体的晶粒尺寸、表面形貌、透光率和电阻率,当溅射氩气中通入2%氧气时,可得到性能最佳的锐钛矿相Nb掺杂TiO_2薄膜,所得薄膜可见光透过率高达80%,电阻率降至2.5×10~(-3)Ωcm。并且,Nb掺杂导致了TiO_2薄膜的吸收限产生蓝移,且蓝移程度随氧含量的改变而有所不同。研究认为,氧含量改变了Nb掺杂TiO_2薄膜晶体的结构形貌以及Nb杂质和氧空位提供的有效载流子浓度,从而直接影响了Nb掺杂TiO_2薄膜的光电性能。     

掺Zn纳米TiO2对6种植物病原菌的抑菌性能研究

通过溶胶-凝胶法制备TiO_2纳米材料,并进行Zn~(2+)掺杂改性,采用冷冻干燥法获得纳米微粉,在自然光下对红枣链格孢、黄瓜枯萎病、辣椒疫霉病、棉花枯萎病、棉花黄萎病和玉米弯孢等6种病原菌做抗菌实验,研究其对植物病原微生物的杀灭与抑制作用。用X射线衍射仪和透射电镜进行物性表征,采用菌丝抑制率法统计病原菌存活数、相对抑菌率。结果表明:冷冻干燥处理的TiO_2材料颗粒大小均匀,抑菌能力好于焙烧处理,Zn~(2+)掺杂后纳米TiO_2对植物病原菌抑制与未掺杂时相比有较好地抑制作用,黄瓜枯萎病菌的抑制率达到65.3%,红枣链格孢菌较低仅为47.5%,纳米微粉具有抗暴晒和水浸湿能力。     

铜掺杂纳米 TiO2 的制备及其抗菌性能研究

目的制备铜掺杂纳米二氧化钛抗菌材料,测定其金属溶出率,研究该材料的光催化活性及抗菌性能。方法通过水热合成法制备掺铜二氧化钛(TiO_2Cu)纳米材料,采用催化动力学法测定该材料Cu~(~(2+))溶出率,以亚甲蓝为光催化降解材料测定其光催化活性,以金黄色葡萄球菌为目标物,研究在紫外光和非光条件下TiO_2Cu纳米材料的抗菌性能。结果 TiO_2Cu纳米材料Cu~(2+)溶出率最大值为72.36%,在自然光和紫外灯光照下对亚甲蓝光催化降解率分别为95.06%和85.08%,光照下TiO_2Cu材料质量浓度达到10 mg/m L,与细菌共培养90 min后,抑菌率可达94%。结论采用冷冻干燥法制备的含铜量为0.2%的TiO_2Cu材料具有良好的光催化活性,在暗光和紫外光照下均具有一定的抗菌性能。     

Cr掺杂纳米TiO_2的制备及其可见光催化性能

建立三个Cr掺杂TiO_2模型并计算了其电子结构。根据这些模型得到了相似的计算结果:掺杂Cr在TiO_2的禁带中引入带宽约为1.0 eV的中间能级,使其具有可见光响应特性。但是过多的Cr会成为光生电子-空穴对的复合中心,使掺杂TiO_2的光催化性能下降。在此基础上采用水热法制备了具有不同名义Cr掺杂浓度的纳米TiO_2粉体。结果表明,所制备的Cr掺杂纳米TiO_2均为锐钛矿型,比表面积为178-221 m~2/g,平均粒径为9 nm左右且粒径分布范围窄。Cr原子替代Ti原子进入了TiO_2晶格,不同名义Cr掺杂浓度样品均出现了对可见光的吸收。当原料中的Cr/Ti原子比为2%时Cr掺杂纳米TiO_2粉体具有最好的光催化性能,验证了理论计算结果。     

TiO_2掺杂对SiO_2-Al_2O_3-MgO系玻璃结构和力学性能的影响

采用传统熔体冷却法制备TiO_2掺杂量为0~1.8wt%的TiO_2/SiO_2-Al_2O_3-MgO系玻璃,探讨了不同TiO_2质量分数对玻璃体积密度、弯曲强度、压缩强度、压缩模量和结构稳定性的影响规律。结果发现:当TiO_2含量小于1.5wt%时,TiO_2/SiO_2-Al_2O_3-MgO系玻璃的光学带隙随着TiO_2含量的增加而减小、玻璃结构更加稳定,其体积密度、弯曲强度、压缩强度以及压缩模量均随着TiO_2含量的增加而上升;当TiO_2含量超过1.5wt%后,该玻璃体系的结构稳定性和力学性能均随着TiO_2含量增加而下降;当TiO_2的质量分数为1.5wt%时,玻璃的光学带隙达到最小值为3.75eV,各项力学性能达到最优,其弯曲强度为110.36 MPa、压缩强度为240.18 MPa、压缩模量为115.03GPa。适量TiO_2的掺杂,减少了玻璃网络结构中非桥氧的数量,使孤立的岛状网络单元重新聚合,从而显著提高了玻璃的结构稳定性和力学性能;但过量的TiO_2迫使TiO_2/SiO_2-Al_2O_3-MgO系玻璃结构中的桥氧键断裂生成非桥氧,由此显著降低了其结构稳定性和力学性能。     

C-Nb掺杂TiO2的电子结构与光学特性的第一性研究

运用第一性原理计算,研究了C单掺杂TiO_2体系、C与双Nb掺杂TiO_2体系的电子结构和光学特性。构建了C、C与双Nb掺杂TiO_2体系。并比较多种C与双Nb掺杂TiO_2构型的总能,发现C与双Nb近邻补偿共掺构型最稳定。对于C原子单掺杂TiO_2,其带隙中出现主要由C-2p轨道构成的3个子带,但是存在电子部分占据带隙子带,这种半占据子带在光催化过程中会成为新的电子-空穴复合中心,降低了光生电子分离效率。对于C与双Nb补偿掺杂TiO_2体系,其带隙中出现主要由Nb-4d轨道和C-2p轨道耦合而构成的3个带隙态,此时,由于两个Nb原子提供了足够的电子用于补偿C原子的双受子行为,其带隙子带被电子完全所占据,消除了C单掺TiO_2存在的缺陷,进一步提高了光生电子的量子效率。最后,对纯TiO_2和C与双Nb掺杂TiO_2体系的光吸收谱进行了计算,其结果显示C与双Nb近邻共掺TiO_2体系的光吸收谱拓展到可见光区域。