丁戊辰
,
李微雪
催化学报
doi:10.1016/S1872-2067(14)60165-0
采用第一性原理计算考察了阴离子(硼、碳、氮、氟、磷、硫)掺杂的二氧化钛(包括锐钛矿相和金红石相)。芯位移计算结果表明,在氮掺杂的TiO2中,间隙掺杂类型的N的1s能级在XPS能谱上峰的位置要比替代掺杂的能级高,类似的结果也在硼、碳、磷和硫掺杂的TiO2上发现。然而对于F掺杂的TiO2,替代掺杂的峰位置比间隙掺杂的高,且与TiO2的晶相无关。还对阴离子掺杂的TiO2进行了热力学研究。结果表明,替换掺杂的形成焓高于间隙掺杂的,因此替代掺杂的TiO2的制备需要苛刻的条件,而间隙掺杂TiO2的制备只需温和的湿化学条件。
关键词:
二氧化钛
,
芯位移
,
X射线光电子能谱
,
阴离子
,
替换掺杂
,
间隙掺杂
,
密度泛函理论
,
热力学性质
方钧
,
石富城
,
包蕙质
,
千坤
,
姜志全
,
黄伟新
催化学报
doi:10.1016/S1872-2067(12)60667-6
利用X射线衍射、N2吸附等温线、X射线光电子能谱、X射线吸收谱、H2-程序升温还原、甲基橙选择化学吸附和等电点测定等方法研究了共沉淀方法制备的一系列CexTi1-xO2复合氧化物的结构.成功发展了甲基橙选择化学吸附和等电点方法研究CexTi1-xO2复合氧化物的最外层表面结构,并定义了“等价CeO2表面覆盖度”来描述CexTi1-xO2复合氧化物的最外层表面结构.CexTi1-xO2复合氧化物(x≥ 0.7)形成立方萤石相固溶体,Ce0.3Ti0.7O2表现出纯的单斜相,而其它复合氧化物表现出混合相.Cex-Ti 1-xO2复合氧化物最外层表面结构的演变行为不同于其体相结构.Ce0.7Ti0.3O2立方萤石相固溶体最外层表面已经部分形成了单斜相Ce0.3Ti0.7O2,随Ce含量的降低,单斜相Ce0.3Ti0.7O2从最外层表面向体相生长.CexTi1-xO2复合氧化物立方萤石相固溶体和单斜相Ce0.3Ti0.7O2分别在相对较低和较高的温度表现出好的还原性能.上述结果提供了全面和深层次的CexTi1-xO2复合氧化物结构信息.
关键词:
二氧化钛
,
氧化铈
,
复合氧化物
,
相结构
,
表面结构
,
X射线吸收谱
,
选择化学吸附
,
等电点
彭洪根
,
应家伟
,
张景岩
,
张先华
,
彭程
,
饶成
,
刘文明
,
张宁
,
王翔
催化学报
doi:10.1016/S1872-2067(16)62532-9
甲醛是室内装修污染的重要组分,已严重危害到人们身体健康,在室温条件下消除甲醛引起了人们的广泛兴趣.目前室温清除甲醛主要有物理吸附法、光催化法、等离子体技术及催化氧化技术.物理吸附法主要采用活性炭等作为吸附剂,其初期吸附效果较好,但当吸附饱和之后会重新释放甲醛造成二次污染;光催化法和等离子体技术需要特殊装置,不适合室内室温环境脱除甲醛;而催化氧化技术则可直接将甲醛转化为无毒无害的水和CO2,因而备受关注.Pt/TiO2被认为是目前消除甲醛最有效的催化剂.为进一步降低贵金属Pt的用量及增强其稳定性(Pt被氧化后其活性会降低),本文首次采用稀土La掺杂锐钛矿型TiO2,负载少量Pt后用于室内低浓度(0.5 ppm)甲醛的催化氧化.活性测试结果表明,纯TiO2催化剂上甲醛转化率在5%以下,有可能是物理吸附或可见光催化所致.负载0.5%Pt后,Pt/TiO2和Pt/La-TiO2甲醛转化率均高于80%,尤其是La掺杂活性高达96%以上,且在连续反应8 h甚至延长至40 h后其活性均未见下降趋势.电镜结果表明,La掺杂Pt/La-TiO2催化剂中Pt粒径从未掺杂的2.2 nm降至1.7 nm;CO程序升温脱附测试表明,Pt/La-TiO2/Pt的分散度达66%,而未掺杂样品仅为51%;X射线光电子能谱测试表明,Pt/La-TiO2的表面氧物种高于Pt/TiO2催化剂,说明La掺杂增强了Pt和载体间的相互作用.为探讨Pt/La-TiO2商业化应用前景,将粉体Pt/La-TiO2涂覆在堇青石蜂窝陶瓷上制备成整体催化剂.该整体催化剂在容积为2 m3的密室测试中5 min内即可将浓度为0.5 ppm的甲醛将至0.02 ppm以下.该催化剂在存放3个月后活性略有下降,但在10 min内仍可将甲醛浓度降至0.08 ppm,达到室内甲醛排放标准.综上,本文成功制备了La掺杂Pt/La-TiO2用于室内低浓度甲醛催化氧化,该催化剂表现出优异的催化性能.通过多种表征手段表明,La修饰后贵金属Pt纳米粒子尺寸减小、分散度提高及Pt与载体间相互作用增强是其活性优异的主要原因.以Pt/La-TiO2粉体制备的整体催化剂同样表现出了高的催化性能,具有工业应用前景.
关键词:
低浓度甲醛
,
室温氧化
,
稀土
,
镧掺杂
,
铂
,
二氧化钛
,
整体催化剂
甄超
,
吴亭亭
,
Mohammad W. Kadi
,
Iqbal Ismail
,
刘岗
,
成会明
催化学报
doi:10.1016/S1872-2067(15)60981-0
光电化学电池(如染料敏化太阳能电池、量子点敏化太阳能电池以及光电化学水分解电池)是实现太阳能转化及存储的有效手段之一.其中,光电极是光电化学电池的核心组成部分,它集光吸收、光生电荷输运及转移等决定光转化效率的关键过程于一身,因此构筑高活性半导体光电极以实现高效太阳能转化利用引起研究者广泛关注.多孔TiO2纳米颗粒堆垛薄膜光阳极因具有大的比表面积,可提供更多的染料(量子点)担载和反应活性位点,在光电化学电池中表现出优异活性而被广泛研究.然而, TiO2纳米颗粒间大量存在的晶界对光生电荷有较强的散射作用,降低了光生电荷的收集效率.英国牛津大学Snaith研究小组利用模板辅助水热过程首次获得了(001)晶面占优的多孔单晶锐钛矿TiO2微米颗粒,这种多孔单晶TiO2微米颗粒在具有大比表面积的同时,其单晶结构还能有效去除晶界对电荷的散射作用,因而具有优异的电荷输运特性.利用这种多孔单晶TiO2微米颗粒组建的光阳极用于染料敏化太阳能电池中,展现出优异的太阳能光电转化性能.受该工作启发,各种形貌的多孔单晶TiO2微米颗粒作为光催化剂和光电化学分解水用光阳极材料被广泛研究,并表现出优异活性.在单晶微米颗粒堆垛成的薄膜光电极中,虽然单个单晶微米颗粒中晶界对电荷的散射作用被有效抑制,但是单晶颗粒间的晶界仍然存在并影响光生电荷的收集效率.为了彻底抑制晶界对光生电荷的散射作用,每个单晶颗粒都应该贯穿整个薄膜,例如一维TiO2纳米棒单晶阵列薄膜.虽然一维单晶阵列薄膜能够有效提高光生电荷的收集效率,但相对于多孔薄膜具有较小的比表面积,限制了担载染料(量子点)和反应位点的数量.为了增大TiO2单晶纳米棒阵列薄膜的比表面积,目前主要的手段包括调控纳米棒长径比、表面修饰TiO2纳米颗粒以及二次生长构建TiO2枝晶阵列.本文首次提出通过制备多孔单晶TiO2纳米棒单晶阵列薄膜来获得高比表面积和高光生电荷收集效率的光阳极,提高光电化学电池的效率.在透明导电薄膜(FTO)表面利用水热生长TiO2纳米棒阵列薄膜之前,预先在FTO基体上沉积一层SiO2球密堆模板, TiO2纳米棒单晶阵列在从FTO表面向上生长过程中,会将SiO2球模板包裹进TiO2纳米棒中,再通过碱溶液将SiO2球模板溶解,首次在FTO基体上原位生长出多孔单晶TiO2纳米棒阵列薄膜.将所得多孔单晶金红石TiO2纳米棒阵列薄膜作为光电化学分解水电池光阳极,其光电化学分解水活性相对于实心单晶金红石TiO2纳米棒阵列提高了2.6倍.多孔单晶金红石TiO2纳米棒阵列光阳极性能的提升可归因于：(1)多孔结构赋予多孔单晶金红石TiO2纳米棒阵列薄膜更大的比表面积,可提供更多的反应活性位点；(2)多孔结构能够有效缩短单晶金红石TiO2纳米棒中光生电荷体相输运距离,提高光生电荷的收集效率；(3)多孔结构通过对光多次反射吸收可有效增强光吸收,产生更多光生电荷参与水分解反应；(4)在制备过程中引入Si掺杂,导致多孔单晶金红石TiO2纳米棒带隙扩大了0.1 eV,带隙增大归因于导带位置负移0.1 eV,光生电子具有更强的还原能力,光电流起始电位相应负移约0.1 V.
关键词:
氧化钛
,
光阳极
,
多孔
,
单晶
,
纳米棒阵列
刘允昌
,
邢明阳
,
张金龙
催化学报
doi:10.1016/S1872-2067(14)60093-0
以乙醇为碳源，采用操作简单的真空活化法一步实现对TiO2的Ti3+与C的共掺杂改性， TiO2用X衍线衍射、紫外-可见光谱、顺磁共振、X射线光电子能谱和红外光谱等手段表征了催化剂的结构、组成、光学性质。结果表明，经Ti3+与C共掺杂改性后的催化剂表现出高的可见光降解甲基橙活性。复合在催化剂表面的石墨可以增强催化剂对可见光的响应范围，而Ti3+与氧缺陷形成的掺杂能级则可以提高光生电子的迁移效率。实验表明，两者之间的协同作用促进了其可见光催化活性的提高。
关键词:
真空活化法
,
Ti3+掺杂
,
石墨负载
,
二氧化钛
,
光催化
姜洪泉
,
王巧凤
,
李世洋
,
李井申
,
王庆元
催化学报
doi:10.1016/S1872-2067(14)60047-4|
利用溶胶-凝胶和溶剂热联合技术制备了Pr-N-P三元掺杂锐钛矿TiO2(PrNPTO)纳米片，并采用X射线衍射、透射电镜、N2吸附、X射线光电子能谱、UV-vis吸收谱和光致荧光光谱分析技术对其进行了表征.当Pr掺杂量为1.75 wt%，焙烧温度为550°C时，制得的PrNPTO在可见和紫外光下光催化降解亚甲基蓝(MB)活性最佳.在模拟太阳光照射下， PrNPTO也表现出优越的光催化降解4-氯酚性能(kapp =3.90×10-2 min-1)，优于未掺杂、单掺杂和双掺杂TiO2样品，其光活性是P25 TiO2的3.33倍(kapp =1.17×10-2 min-1). PrNPTO光活性的提高归因于Pr-N-P三元掺杂增强了紫外和可见光吸收，降低了光生载流子复合，增加了表面羟基以及改善了表面织构特性.在模拟太阳光照射下， PrNPTO光催化效率高且光催化性能稳定，适合于环境净化领域的实际应用..
关键词:
氧化钛
,
Pr-N-P三元掺杂
,
溶胶-凝胶
,
溶剂热
,
太阳光
,
光催化
Wingkei Ho
催化学报
doi:10.1016/S1872-2067(15)61003-8
由于人们80%的时间呆在室内,室内空气的质量直接影响人类健康,因此近年来室内空气质量越来越受到人们的关注.室内污染物包括CO氮氧化物(NOx)和挥发性有机化合物(VOCs),它们给人体健康带来众多负面影响.更为重要的是,考虑到节能,现代建筑的空气密闭性大都较高,但这种减少吸入新鲜空气的设计直接导致室内各种污染物的累积.有些家用电器,如燃气灶和热水器,在使用的时候会涉及到煤、油和天然气的燃烧,特别是通风较差的情况下会成为室内主要的污染源.常规的治理技术,包括吸附和过滤,其成本相对较高,也不适用于低浓度污染物的治理.尤其是更换不及时的过滤器在排风系统中可能会成为VOCs的一个来源.因此,很有必要开发一种新型的技术以降低室内污染物的浓度和保持一个清洁的室内空气环境,从而保障人们的身体健康.光催化是去除室内空气污染物的有效方法.例如, TiO2、钛酸铋和钛酸锶等具有强氧化能力和稳定的光催化活性,因而是高效的光催化剂.一般而言,通常报道的TiO2光催化剂是高度分散的、或悬浮于液体介质中的细小颗粒或粉末.然而,粉末状的TiO2光催化剂不适宜于室内空气净化,因为它变得可吸入而对人体健康造成不利的影响.因此,人们尝试将TiO2颗粒作为薄膜固定在不同的刚性载体上,如玻璃、不锈钢和铝合金板.对基体进行涂覆可显著影响光催化时反应物的表面吸附行为.一般而言,光催化薄膜通常涂覆在平面上,如蜂窝空气过滤器.三维(3D)多孔的陶瓷泡沫对气体通过具有非常好的流体性质,因此本文以它作为涂覆的基体.这种陶瓷泡沫具有3D多孔结构,多种孔密度、比表面积和化学性质.3D多孔陶瓷泡沫空气过滤器的床层空隙率较高,因此使用时压降较低,且不像蜂窝空气过滤器,它具有复杂多变的孔结构,可增强流体的扰动和混合.另外,3D多孔陶瓷泡沫空气过滤器的开发多孔和网状的结构使得在催化体系具有非常好的气体动力学性质,催化剂表面和气体反应物有充分的接触.多孔材料在液相或气相催化反应中具有独特的优势,因此,陶瓷泡沫、多孔的氧化铝、多孔硅胶.分子筛和活性炭经常被用作催化剂载体.在固体基体上TiO2膜的形成可能使得TiO2光催化剂的有效比表面积降低,从而导致其光催化活性下降.然而,由于具有中孔结构的TiO2薄膜的比表面积大,其用于催化反应的活性位也更多,因此使用时仍然具有较高的活性.前期研究表明,涂覆在平面玻璃、不锈钢和氧化铝基体上的中孔TiO2薄膜用于环境净化时表现出增强的光催化效率.另外,室内环境中NO和NO2的浓度一般分别为几百个ppb之内和100 ppb以下.可见, NO是主要的室内空气污染物,对人体健康危害较大.基于此,本文首次采用反胶束法将中孔锐钛矿TiO2薄膜均匀一地涂覆在3D多孔高比表面积的泡沫过滤器上,采用X射线衍射、扫描电镜、X射线光电子能谱、N2吸附-脱附、紫外-可见光光谱和原子力显微镜对所制样品进行了表征,并将样品用于紫外光下催化降解NO,以揭示所制的中孔TiO2涂层具有高的比表面积和高的光催化活性,从而克服使用TiO2粉末所带来的不足.结果表明,由于中孔TiO2薄膜涂层具有较大的有效比表面积,其表面存在很多吸附活性位,用于吸附在反应过程中形成的水蒸汽、气相反应物和产物,因而具有更高的光催化活性,因此在陶瓷泡沫空气净化系统中可以高效地光催化NO降解：在所考察的不同孔密度的陶瓷泡沫过滤器涂覆的TiO2上400 ppb的NO单程转化率均在92.5%以上,高于涂覆在平面陶瓷砖上的TiO2.该陶瓷过滤器的3D多孔特性可增强流体的扰动和混合,使得气相反应物与光催化剂表面有着充分的接触；其大的孔密度也导致高的光催化速率.另外,本文所制样品在所有反应过程中均保持较高且稳定的NO降解速率,这表明其在NO降解反应中没有失活.
关键词:
二氧化钛
,
光催化
,
陶瓷
,
一氧化氮
,
涂覆
沈帅
,
王秀丽
,
丁倩
,
金少青
,
冯兆池
,
李灿
催化学报
doi:10.1016/S1872-2067(14)60172-8
采用CO作为探针分子,将原位透射红外光谱应用于研究助催化剂Pt在Pt/TiO2光催化体系中的作用。实验发现,光照条件下, CO的覆盖度及样品温度没有明显变化, CO在Pt/TiO2上的吸附峰红移11 cm-1,在Pt/Al2O3上的吸附峰没有位移,表明CO在Pt/TiO2上的红移来源于TiO2上的光生电子转移到Pt上,这解释了为什么加入Pt助催化剂可提高光催化产氢活性。
关键词:
一氧化碳吸附
,
二氧化钛
,
助催化剂
,
光催化
,
原位红外光谱
杨华博
,
李翔
,
王安杰
,
王瑶
,
陈永英
催化学报
doi:10.1016/S1872-2067(12)60731-1
采用浸渍法制备了MoO3/P25催化剂(MoO3/P25(x),x为MoO3与P25质量比),用X射线衍射、紫外-可见漫反射光谱、傅里叶变换红外光谱及拉曼光谱等手段对样品进行了表征,并用催化降解亚甲基蓝考察了催化剂在可见光区的催化活性.结果表明,MoO3在P25表面最大单层负载量对应的MoO3与P25质量比在0.1左右.单层分散的氧化钼物种与P25之间有较强的相互作用,降低了P25禁带宽度,提高了催化剂对可见光的吸收.当MoO3与P25质量比大于0.1时,会生成晶相MoO3,催化剂对可见光的吸收反而随MoO3担载量增加而降低.催化剂禁带宽度不是决定其可见光下催化降解亚甲基蓝活性的唯一因素.具有适宜禁带宽度和一定晶相MoO3含量的MoO3/P25(0.25)表现出最佳活性.
关键词:
二氧化钛
,
氧化铝
,
等体积浸渍
,
亚甲基蓝
,
可见光
吴亭亭
,
康向东
,
Mohammad W. Kadi
,
Iqbal Ismail
,
刘岗
,
成会明
催化学报
doi:10.1016/S1872-2067(15)60996-2
光催化反应发生在半导体材料的表面,材料表面的原子/电子结构直接影响光催化剂的活性或选择性。因此,发展具有特定晶面的半导体光催化剂受到各国学者的普遍关注,被认为是调控光催化材料性能的有效途径之一。自2008年yang等首次合成高表面能{001}晶面占优的锐钛矿TiO2单晶以来,控制合成暴露不同晶面TiO2晶体的研究得到了迅猛的发展,已发展了多种方法合成了具有不同晶面的TiO2晶体。研究表明,选择性地暴露特定的活性晶面能够显著地提高光催化剂的活性或者改变光催化反应的选择性。但是,含有完整晶面构型的TiO2单晶样品的颗粒尺寸一般都较大,通常为几微米,因而显著增加了光生载流子传输与分离的难度,并且导致材料较小的比表面积,限制了对光催化活性的进一步提高。能否在合成含特定晶面单晶的同时增加多孔结构成为有效解决这一问题的关键。最近, Crossland等采用晶种模板法成功合成了介孔的锐钛矿TiO2单晶,并且通过光电器件研究证实了采用该思路可进一步提高材料的光电性能。金红石TiO2在光催化全分解水方面具有独特的优势,然而关于多孔单晶金红石TiO2的研究相对较少,尤其是合成热力学不稳定的高表面能{111}晶面完全暴露的多孔金红石单晶面临较大的技术挑战因而一直未见文献报道。本文利用晶种模板法,以TiCl4溶液为含Ti前驱体、NaF为形貌控制剂、采用水热处理制备出不同比例{111}晶面的介孔金红石单晶。我们前期工作表明, NaF可作为形貌控制剂合成低表面能{110)晶面占优的介孔金红石单晶。本文发现,通过改变NaF的添加量,可有效调变{111}/{110}晶面比例,最终合成完全暴露{111}高表面能的介孔金红石TiO2单晶。扫描电镜结果显示,当添加20 mg NaF时,合成{110}占优的具有高长径比的介孔晶体；当NaF用量增加到40 mg时{110}晶面进一步缩短；至80 mg时则制备出{111})高能面完全暴露的金红石TiO2晶体。值得注意的是,对比研究表明,不采用模板合成了与多孔晶体完全相对应的不同{111}/(110}晶面比例的实心金红石晶体。透射电镜及选区电子衍射以及结合X射线衍射进一步证实,多孔的金红石TiO2晶体与实心金红石单晶均都为单晶结构,孔结构贯穿于样品内部且具有较高的晶面结晶性。氮气吸附实验发现,虽然三个不同晶面比例介孔金红石单晶样品间的形貌具有显著的差异,但比表面积非常相近(分别为24,25,28 m2/g),孔径也都为50 nm左右,该值与所用SiO2模板球的直径以及TEM观察结果相一致。光催化产氢性能结果表明,选择性的暴露活性晶面显著提高了光催化活性,仅含高能面{111}的介孔金红石单晶样品具有最高的产氢速率(约800μmol h–1 g–1),比常规{110}晶面占优的介孔单晶样品速率提高了约一倍。尤其比实心单晶样品的产氢速率提高了至少一个数量级,这应归结于介孔结构特性所导致的表面反应活性位增加、电子传输距离缩短以及光吸收增强协同作用的结果。
关键词:
二氧化钛
,
光催化剂
,
介孔
,
单晶
,
产氢
