Band structur e design of semiconduc tors for enhanced photocatalytic activity: The case of TiO2

General strategies are proposed by passivated co-doping in present paper to improve the photocatalytic activity of semiconductors for degradation of environmental pollutants.The ideal band gap of semiconductors for enhancement of photocatalytic activity can be lowered to match with visible light absorption and the location of the Conduction Band(CB) should be raised to meet the reducing capacity.Then we apply the strategy to anatase TiO2.It is predicted that nonmetal–metal co-doping TiO2can modify the catalyst band edges by raising the valence band(VB) edge signifcantly and making the CB edge increased 0.24 eV.Therefore,the band gap for co-doping system should be narrowed to about2.72 eV.(N,Ta) is predicted to be the target donor–acceptor combination with the band gap of 2.71 eV,which red-shifts the TiO2absorption edge to 457.6 nm in visible range.The band engineering principle will be ft to other wide-band-gap semiconductors for enhanced photocatalytic activity.     

静电纺丝制备铕掺杂二氧化钛纳米纤维及其光催化性能

采用静电纺丝法,以聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、冰乙酸、无水乙醇、硝酸铕和钛酸四丁酯为原料,制备不同浓度铕掺杂的二氧化钛纳米纤维,用扫描电子显微镜(SEM)、X线粉末衍射仪(XRD)来表征二氧化钛纳米纤维的形貌、组成和晶型.结果显示二氧化钛纳米纤维煅烧之前直径为300~400 nm,煅烧后直径为200~300 nm,呈锐钛矿型. 以酸性红3R染料作为目标污染物,在太阳光模拟器下进行光催化实验,找出最佳铕掺杂浓度,然后利用最佳铕掺杂浓度的二氧化钛纤维降解不同pH值的酸性红3R溶液,找到染料的最佳pH值,结果发现:当铕掺杂摩尔比为1%,pH值为3时,40 mg二氧化钛纤维经过25 min即可将40 mg/L的酸性红3R染料降解98%以上.     

TiO2系材料的光催化特性及改进途径

阐述了TiO2系材料的光催化氧化机理以及影响其光催化活性的因素,并提出了改进其光催化氧化性能的途径与依据.     

一步法合成锐钛矿相和金红石相TiO2的光催化活性的研究

以酞酸丁酯为钛源,利用一步合成法分别合成出锐钛矿相和金红石相TiO2,并利用XRD、BET和SEM表征其晶相、粒度和表面状态,其结果证实两种晶相TiO2具有相近的结晶度和粒度.在此前提下,通过对两种晶相TiO2进行第一性原理、DRS和ζ电位的分析,得出金红石相TiO2的光催化活性优于锐钛矿相TiO2的结论.此外,在可见光条件下,选取带不同表面电荷的三种有机物进行2 h光催化实验,其光催化反应动力学的结论证实了金红石相TiO2的光催化反应速率较优,并对其原理进行了解释.     

纳米TiO2壳聚糖模板法制备及其光催化性能

以壳聚糖为模板剂,采用溶胶-凝胶法制备了平均粒径为15nm,具有较高分散性、热稳定性和光催化活性的纳米TiO2粒子.采用扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、X射线粉末衍射(XRD)、傅立叶红外光谱(FT-IR)以及紫外-可见光谱(UV-vis)等手段对产物进行了分析和表征.条件实验结果表明,在500℃下灼烧1h所得TiO2产物由锐钛矿相及少量金红石相构成.光催化实验结果表明,所得产物在日光下对有机染料亚甲基蓝有很好的催化降解作用.     

WO3/碳点/TiO2复合纳米材料的制备及其光致阴极保护作用研究

采用两步阳极氧化法制备了TiO₂纳米阵列（TNAs）,然后分别采用浸泡法和电沉积法在TNAs表面负载碳点层和WO₃层,得到WO₃/碳点/TNAs复合纳米光阳极（TCW）,并通过扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射仪（XRD）和X射线光电子能谱仪（XPS）对其进行了表征。采用紫外可见漫反射光谱法（UV-Vis DRS）和电化学方法测定了TCW光阳极的光吸收和电化学性能,并评价了在模拟海水溶液中TCW对Q235碳钢的光致阴极保护作用。结果显示：与TNAs相比,TCW的吸收边从紫外光区（384 nm）扩展至可见光区（426 nm）,带隙宽度（E_g）从3.23 eV降低到2.91 eV,对光的吸收能力显著提升;可见光响应电流密度提高了6.85倍,达到157 μA/cm²。将TCW光阳极与Q235碳钢阴极耦合后,阴极表面的稳态光响应电流密度达到101 μA/cm²;与耦合前相比,其自腐蚀电位降低了0.41 V （vs.Ag/AgCl）,电化学电流噪声（ECN）振幅增大,腐蚀过程受到明显抑制。以上结果表明TCW对Q235碳钢具有优异的光致阴极保护作用。     

双氧水分光光度法测定天竹纤维中TiO2含量

针对天竹纤维中添加纳米二氧化钛的含量标识问题,对天竹纤维样品采用高温硝化、混酸溶解的前处理方式,以抗坏血酸作Fe^3＋和Cu^2＋的掩蔽剂,以一定浓度的双氧水作为显色剂,用分光光度法在波长λ=410nm处测定了天竹纤维中纳米二氧化钛含量。钛的质量浓度在0．05-3．20mg／L范围内呈现良好的线性关系,线性方程为了y=0.085 1x＋0．0093（R=0．9992）,检测限为0．050mg／L,平均回收率达98．5％以上,RSD为0.58％。     

微波干燥制备纳米TiO2的光催化降解活性研究

采用钛酸丁酯的溶胶-凝胶法及微波干燥制备了纳米TiO2光催化剂。通过XRD和BET进行了晶型、平均粒径和比表面积分析表征。以水杨酸为模拟污染物对其进行光催化降解活性实验研究表明，UV光照40min水杨酸降解率达到97％，催化剂重复使用4次水杨酸降解率仍能达到94％。     

纳米TiO2薄膜的制备及光催化活性研究

用溶胶一凝胶法在玻璃基片上制备了均匀透明的Ti02薄膜，并以苯酚的降解反应为模型，研究了纳米Ti02薄膜的光催化活性．结果表明薄膜晶粒大小为23．0nrn，呈锐钛矿型，沿(101)晶面具有择优取向性；10h内苯酚的降解率为66％，苯酚光催化降解反应符合一级动力学规律．     

一步法合成锐钛矿相和金红石相TiO2的光催化活性的研究

以酞酸丁酯为钛源,利用一步合成法分别合成出锐钛矿相和金红石相TiO2,并利用XRD、BET和SEM表征其晶相、粒度和表面状态,其结果证实两种晶相TiO2具有相近的结晶度和粒度。在此前提下,通过对两种晶相TiO2进行第一性原理、DRS和ζ电位的分析,得到金红石相TiO2的光催化活性优于锐钛矿相TiO2的结论。此外,在可见光条件下,选取带不同表面电荷的三种有机物进行2h光催化实验,其光催化反应动力学的结论证实了金红石相TiO2的光催化反应速率较优,并对其原理进行了解释。     

改性TiO2薄膜对水杨酸光催化降解的影响

利用溶胶-凝胶法制备TiO2薄膜光催化剂,考察掺杂铁、银离子改性与酸处理的TiO2薄膜以及有微量H2O2存在时光催化降解水杨酸的活性,并对改性薄膜光催化降解水杨酸的动力学进行研究.实验表明:改性后的TiO2薄膜光催化剂的活性均有不同程度的提高,其中体相掺铁和酸改性的TiO2薄膜光催化活性最高,并且改性的TiO2薄膜降解水杨酸过程符合一级反应;微量的H2O2存在使TiO2光催化降解效率明显提高.     

La3+和Ni2+掺杂二氧化钛纳米粉体的制备与光催化性能

采用溶胶 凝胶法分别制备了未掺杂、La³⁺和Ni²⁺单掺与共掺的TiO₂粉末,通过XRD、SEM、UV-visible吸收等对样品的晶型、微观形貌、光吸收和对亚甲基蓝的光降解特征进行了考察。结果表明,La³⁺和Ni²⁺的掺杂抑制了TiO₂的相变和晶粒的增长,纯TiO₂的粒径主要分布为20～30nm,掺杂La³⁺和Ni²⁺后样品的晶粒尺寸在9～20nm之间。掺杂后各样品在紫外和可见光区的吸收能力均有不同程度地增强。与未掺杂TiO₂的吸收带边相比,La³⁺掺杂TiO₂的吸收带边蓝移,Ni²⁺掺杂和共掺TiO₂的吸收带边分别红移了约40和35nm。La³⁺单掺和La³⁺-Ni²⁺共掺促进了光生电子-空穴对的分离,从而提高了光催化降解亚甲基蓝的活性。     

铁酸钴掺杂的二氧化钛结构相变及光催化降解曙红的活性

分别采用溶胶-凝胶法和共沉淀法合成了二氧化钛和铁酸钴初始粉体,并将二粉体在一定的比例范围内进行复合,获得不同铁酸钴含量的二氧化钛基光催化剂.研究了铁酸钴掺杂对二氧化钛"锐钛矿→金红石"的结构相变及光催化降解曙红染料活性的影响.结果表明,铁酸钴的掺杂可抑制二氧化钛的相转变,而且可以拓宽二氧化钛的光谱响应范围至可见光区.在适量掺杂的情况下,铁酸钴掺杂的二氧化钛基光催化剂的光催化活性优于没有掺杂的样品,铁酸钴的最佳掺杂摩尔分数为0.5%.     

[111]-/{101}晶面共暴露的锐钛矿型TiO2纳米晶的制备及可提高的光催化性能

本文以层状钛酸H1.07Ti1.73O4为前驱体,以不同含量的HF溶液为形貌控制剂,在温和的水热条件下(120~180 ℃)采用一锅法合成了共暴露[111]-/{101}晶面的方块状为主的锐钛矿型TiO2纳米晶;对制备的xHF-T180 (x = 0.5, 1.0, 1.5, 2.0, 2.5, 3.0 mL)锐钛矿型TiO2纳米晶的晶体结构、形貌、微观结构、比表面积、元素电子态、光学性能和电荷迁移行为进行了表征;并对其光催化降解MB性能进行了评价. 研究结果表明,与CM-TiO2和其他xHF-T180锐钛矿型TiO2纳米晶相比,2.5HF-T180显示了最高的k值(0.0165 min-1),分别是Blank (0.0009 min-1)、CM-TiO2 (0.0083 min-1)、0.5HF-T180 (0.0126 min-1)、1.0HF-T180 (0.0113 min-1)、1.5HF-T180 (0.0142 min-1)、2.0HF-T180 (0.0130 min-1)和3.0HF-T180 (0.0123 min-1)样品的18.33、1.99、1.31、1.46、1.16、1.27和1.34倍. 2.5HF-T180显示了最高的光催化活性可以归因于其最小的颗粒尺寸、最大的比表面积、最弱的荧光光谱强度和最小的电阻的协同效应. 本研究为合成具有较高光催化性能的锐钛矿型TiO2纳米晶以处理有机染料废水提供了新思路.     

多壳层TiO2/石墨烯复合纳米材料的制备及其在光催化还原CO2中的应用

使用碳球作为模板,利用水热-煅烧的方法制备了多壳层TiO_2。以多壳层TiO_2和氧化石墨烯为原料,利用水热法制备了多壳层TiO_2/还原氧化石墨烯(r-GO)光催化剂。运用XRD,TEM,FT-IR,DRS等测试手段对制备的样品进行表征;并探究其在可见光下对光催化还原CO_2的活性。表征结果表明粒径均匀的多壳层TiO_2纳米球均匀地分布在r-GO表面,r-GO的引入拓宽了光响应的范围。光催化结果表明,复合r-GO后TiO_2的光催化性能显著地提升。     

Mechanochemical preparation of sulfur-doped nanosized TiO2 and its photocatalytic activity under visible light

In order to make nanosized TiO2 photocatalyst responsive to visible light and effectively utilize solar energy, we have, for the first time, prepared S-doped nanosized TiO2 by a mechanochemical method with hydrolysis of TiCl4. The as-prepared S-doped nanosized TiO2 possesses strong absorption for visible light of 400-650 nm and shows high photocatalytic activity for decomposition of methylene blue under irradiation of visible light. The oxidation states of the S atoms incorporated into TiO2 were determined to be S^6＋ and S^4＋. The comparative study of fluorescence emission spectra shows that S-doping has also improved the separation of electron-hole pairs.     

Ag/TiO2有序多孔复合薄膜的合成及其可见光光催化活性

以自组装SiO2胶体晶体为模板,采用TiCh溶胶凝胶浸渍提拉法制备了TiO2有序多孔薄膜(TIO),然后利用AgNO3液相渗透法将Ag纳米颗粒沉积在TIO上,成功制备了Ag/TiO2有序多孔复合薄膜(ATIO).通过Raman,FESEM,TEM,XPS和Uv-vis等分析手段对复合薄膜进行了表征,结果表明:Ag纳米颗粒的平均尺寸约为10 nm,而且与TiO2晶粒之间有强的相互作用.以亚甲基蓝(MB)水溶液为目标降解物,针对不同Ag/Ti相对原子浓度比的样品,考察了其低功率可见光光催化活性及循环使用性,并与Ag/TiO2无序复合薄膜(ATF)作了对比.研究发现,AgNO3前驱体溶液浓度为10 mmol/L的ATIO样品具有最高的可见光光催化活性,其光降解率是具有相同AgNOa前驱体溶液浓度ATF的3.19倍,显著增强的光催化活性来源于Ag纳米颗粒和TIO有序多孔结构的协同效应.循环降解实验证明样品具有稳定的光催化活性.     

聚丙烯酸固载纳米TiO2复合材料的制备及其光催化性能

采用改进的溶胶-凝胶法制备了水溶性TiO₂干凝胶,利用交联聚丙烯酸（PAA）强吸水性和三维网状结构特点,将TiO₂溶胶粒子固载到聚丙烯酸高分子链上,经过水热处理原位生长制备PAA/TiO₂纳米复合材料。通过拉曼光谱（Raman）、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）等测试手段研究PAA/TiO₂纳米复合材料的结构特征,以甲基橙为模型污染物研究了PAA/TiO₂纳米复合材料的光催化性能。结果表明,纳米TiO2粒子被固载到PAA高分子链上,PAA吸水膨胀后扩展至整个反应空间,有效地增加了纳米TiO₂与有机污染物的接触面积,大大提高了光催化降解的效率。     

WO3/碳点/TiO2复合纳米材料的制备及其光致阴极保护作用研究

采用两步阳极氧化法制备了TiO₂纳米阵列(TNAs),然后分别采用浸泡法和电沉积法在TNAs表面负载碳点层和WO₃层,得到WO₃/碳点/TNAs复合纳米光阳极(TCW),并通过扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)和X射线光电子能谱仪(XPS)对其进行了表征。采用紫外可见漫反射光谱法(UV-Vis DRS)和电化学方法测定了TCW光阳极的光吸收和电化学性能,并评价了在模拟海水溶液中TCW对Q235碳钢的光致阴极保护作用。结果显示：与TNAs相比,TCW的吸收边从紫外光区(384 nm)扩展至可见光区(426 nm),带隙宽度(E_g)从3.23 eV降低到2.91 eV,对光的吸收能力显著提升;可见光响应电流密度提高了6.85倍,达到157μA/cm²。将TCW光阳极与Q235碳钢阴极耦合后,阴极表面的稳态光响应电流密度达到101μA/cm²;与耦合前相比,其自腐蚀电位降低了0.41 V(vs. Ag/AgCl),电化学电流噪声(ECN)振幅增大,...     

Photocatalytic activity of TiO<Subscript>2</Subscript> sensitized by CdS quantum dots under visible-light irradiation

In this paper, CdS quantum dots sensitized TiO2 composite powders (QD-CdS/TiO2) were synthesized by impregnating TiO2 powder into CdS sol with different concentrations. X-ray diffraction pattern (XRD) shows the crystal structures of CdS and TiO2 are cubic phase and anatase phase separately in QD- CdS/TiO2 powder samples; the crystal size of CdS in QD- CdS/TiO2 is about 3-7 nm, while TiO2 crystal size is about 20 nm. With increasing CdS content in QD-CdS/TiO2 composite, the UV-Vis absorption spectrum shifted to the longer wavelength lines, exhibiting obvious quantum size effect. The fluorescence intensity of QD-CdS/TiO2 irradiated by blue light is weaker than that of pure CdS. When the molar ratio of CdS and TiO2 is about 1∶2, the QD-CdS/TiO2 powder has the best catalytic properties under visible-light irradiation, and the degradation rate of rhodamine B (RhB) is up to 92.2% within 60 min.