二氧化钛/金属有机骨架复合材料的制备及其应用

金属有机骨架(Metal-organic frameworks,MOFs)由于具有可调控的孔道、高比表面积和孔隙率等特点,在药物运载、气体吸附和分离、传感、发光、催化以及质子传导等领域备受青睐,但MOFs普遍具有较大的带隙以及相对较低的电荷分离效率.二氧化钛(Titanium dioxide,TiO_2)作为半导体材料之一,有高耐用性、低成本、低毒、超亲水性和化学稳定性等特点,在光催化领域具有十分广泛的应用,但本身也存在着一些问题,如粒径小、带隙宽、电子-空穴对复合率高.两种材料的缺点限制了它们在光催化以及其他领域的应用.二氧化钛/金属有机骨架复合材料(TiO_2/MOFs composites)作为新型复合材料,兼具二者优点,可以有效弥补二者缺点,在解决环境、能源问题等方面具有十分广阔的应用.本文基于四种典型结构的二氧化钛/金属有机骨架复合材料,即TiO_2生长于MOFs表面、MOFs包裹在TiO_2表面、MOFs与TiO_2夹心型结构以及TiO_2生长在MOFs孔道内,介绍了二氧化钛/金属有机骨架复合材料的合成方法以及该类复合材料在光催化等领域的应用,总结了不同合成方法对于性能的影响,提出了复合材料在应用上存在的不足,并对复合材料的未来发展进行了展望.     

MOF衍化TiO_2修饰石墨相氮化碳的光催化性能研究

石墨相氮化碳(g-C_3N_4)材料是一种极具潜力的有机光催化材料,尤其是在可见光驱动的光催化分解水制氢方面的应用.然而,较差的光生载流子分离效率严重制约了其光催化活性.选择TiO_2作为修饰材料,在g-C_3N_4表面构建合理的异质结构可以有效解决该问题,但需要进行合理的设计.本文通过较为简单的工艺过程,以金属有机框架材料(MOFs)为牺牲模板,制备MOF衍化TiO_2修饰的g-C_3N_4复合光催化剂.制得的MOF衍化TiO_2的比表面积大,约为124.5 m2/g,并由锐钛矿相/金红石相两相混合组成,这会有效增加光催化剂的光生电子分离效率,并提供更多的催化反应活性位点.通过XRD、SEM、TEM、UV-Vis、PL等表征手段,对材料的物相及相关的光谱学、电化学性质进行了详细的表征,并通过成分调控确定了优化工艺参数.通过相关表征结果可以看出,MOF衍化TiO_2修饰的g-C_3N_4复合光催化剂随着TiO_2的负载量提高而表现更好的载流子分离效率,但其可见光响应会随之降低.因此,存在一个最优的负载量可以均衡二者的影响,从而表现出最高的光催化活性.实验发现,TiO_2的质量分数为6%的光催化剂,其光催化制氢活性在可见光(l≥420 nm)驱动下体现了最高的制氢速率,达836μmol/(g·h).实验结果表明:由MOF衍化TiO_2与g-C_3N_4构建的异质结构可以有效地抑制光生载流子的复合,从而显著提高光催化分解水制氢的性能.     

Cu3P修饰改性CdS光催化析氢性能研究

助催化剂的负载是提高催化剂光生电子-空穴对分离效率的有效策略之一。通过水热法成功得到了CdS纳米棒,基于形貌调控策略将不同质量的Cu₃P纳米颗粒通过溶剂热法与CdS纳米棒成功复合。两种材料复合之后大大降低了Cu₃P的团聚程度。一系列实验表明,Cu₃P颗粒的引入显著提高了CdS的光捕获能力,这为激发CdS产生更多的光生载流子提供了条件。基于实验结果提出了可能的光催化裂解水析氢的机理,Cu₃P的有效负载为CdS提供了表面反应活性中心,进一步抑制了CdS光生载流子的复合,加快了光催化析氢反应,快速地将生成的氢气释放。该工作为改善CdS光催化析氢活性提供了合理的手段和策略。     

石墨烯/TiO_2复合材料的制备及其光催化性能的研究

利用超声法制备石墨烯/TiO_2光催化复合材料,通过XRD、SEM、紫外漫反射对合成的系列样品进行表征,结合光催化降解罗丹明B(RhB)实验得出最佳复合条件:复合比例为1∶40,超声时间为60 min,复合温度为200℃.通过5次重复利用实验得出石墨烯/纳米TiO_2复合材料具有可见光催化稳定性.通过对石墨烯/TiO_2光致发光光谱和不同捕获剂存在下石墨烯/TiO_2光催化降解染料实验的研究,表明在石墨烯/半导体氧化物可见光催化反应过程中·OH自由基起主要的光催化作用,空穴起辅助的催化作用.     

水热法制备TiO_2/MoS_2纳米球光催化剂及其光催化性能研究

采用两步水热法合成TiO_2/MoS_2复合光催化剂.经过X射线衍射(XRD)和透射电子显微镜(TEM)分析表明,MoS_2成功复合在TiO_2纳米球上;合成的TiO_2/MoS_2复合光催化剂提高了光电子-空穴对的分离效率.相比较纯粹的MoS_2颗粒和TiO_2纳米球,TiO_2/MoS_2纳米球复合光催化剂具有较强的光催化性能,光催化效果好.     

TiO_2纳米光催化材料的研究进展

在环境污染物的光催化分解中,高活性光催化剂的使用是关键环节.本文综述了近年来TiO_2光催化材料改性的重要方法以及新型TiO_2光催化剂的研究进展. TiO_2光催化剂的改性方法主要有复合半导体、染料光敏化、贵金属沉积、金属离子掺杂、非金属掺杂、多元共掺杂等.新型光催化剂种类主要有钙钛型光催化剂、层状金属氧化物光催化剂、隧道结构化合物光催化剂等.未来可以考虑利用普鲁士蓝类纳米配合物和金属-有机框架材料(MOFs)对TiO_2光催化材料进行改性,得到新型的具有高催化活性的的TiO_2光催化剂.     

MoO_3-TiO_2复合物的制备及其增强光催化活性

目的通过水热法制备MoO_3-TiO_2复合光催化剂,对其结构和催化活性进行研究。方法采用XRD,SEM,BET和UV-Vis DRS等手段对其晶相结构和化学性质进行表征,通过测试该复合结构对罗丹明B的可见光催化降解评估其光催化活性。结果实验结果显示,MoO_3-TiO_2的光催化活性与相应的MoO_3和TiO_2比较,MoO_3-TiO_2光催化剂增强了光催化活性。结论研究表明,光催化活性增强的原因归因于MoO_3和TiO_2形成p-n异质结,抑制了光生电子和空穴的复合。在光催化降解反应中,活性物种h+起主要作用。     

原位光沉积Cu提升UiO-66-NH_2光催化制氢性能的研究

金属-有机骨架(MOFs)材料UiO-66-NH_2用于光催化分解水制氢需要负载贵金属助催化剂,如Pt,但考虑贵金属价格昂贵,笔者以价格低廉的过渡金属Cu做产氢助催化剂,采用原位光沉积方法制备Cu/UiO-66-NH_2复合光催化材料.结果表明,沉积Cu可以促进UiO-66-NH_2的可见光光催化制氢性能.在优化的Cu担载量为6.0%(m/m),Cu/UiO-66-NH_2最高产氢速率为40μmol·h~(-1)·g~(-1),与负载1.0%-Pt/UiO-66-NH_2(m/m)材料的产氢速率相当.高光催化制氢性能归因于UiO-66-NH_2中光生电子可以向Cu助催化剂传输,从而提升电子-空穴对的分离.实验结果为过渡金属用作MOFs产氢助催化剂提供了实验基础.     

绿色合成银修饰TiO_2中空球及其可见光催化性能

采用绿色非模板法一步溶剂热合成高结晶度的介尺度TiO_2中空球;将介孔结构、光利用和传质过程有机结合,以提高锐钛型TiO_2的光催化性能,并通过时间分辨研究其生长机理,以罗丹明-B等染料为探针分子研究催化剂的光催化性能,TiO_2表面负载Ag以改善TiO_2光吸收性能。结果表明:实验合成TiO_2中空球,形成过程遵循Ostwald机理;TiO_2表面负载Ag增强可见光吸收,提高光生电子和空穴的分离效率,Ag修饰TiO_2中空球可见光催化效率是未修饰样品的17倍。     

复合分级结构的锐钛矿TiO2纳米花的合成及其光电性能

半导体氧化物可用于染料敏化太阳能电池光阳极材料。一维纳米结构氧化物比球形纳米粒子具有更高效的电子传输和收集能力。然而,它们受制于因小的比表面积致使低的染料吸附量以及差的电子抽取能力的膜结构。采用一步水热法成功地合成了TiO_2纳米花,该纳米花为锐钛矿相并且是由纳米棒作为基本构成单元的复合分级结构。反应时间可以控制该结构的演化。反应时间对这种结构的TiO_2纳米花对染料分子的吸附能力有较大影响。最高的电池效率(7.29%)是使用70 h反应条件下合成的TiO_2纳米花所获得的。     

CNTs负载核壳结构Ag@TiO_2的制备及其光催化性能测试

TiO2只能吸收利用太阳光谱中的紫外光部分,且光生电子和空穴复合很快,从而影响TiO2的光催化效率。为了提高TiO2的光催化能力,研究者致力于TiO2的掺杂修饰,本文引入了碳纳米管(CNTs)和金属银纳米粒子,旨在提高TiO2的分散性,阻止光生电子和空穴的复合。首先通过溶剂热方法成功制备了单分散且大小均一的核壳结构Ag@TiO2纳米材料,随后采用浸渍法将酸化处理的CNTs引入Ag@TiO2核壳结构的体系中,制备了CNTs修饰的Ag@TiO2纳米复合材料(CNTs-Ag@TiO2)。紫外光降解的实验结果表明,该复合材料具备增强的TiO2光催化性能,在光催化分解水与光催化降解污染物方面具有很好的应用前景。     

石墨烯/ZnO复合材料光催化降解亚甲基蓝性能研究

利用水热法将通过hummer法制备得到氧化石墨烯包覆Zn O纳米颗粒,得到石墨烯/Zn O复合材料(简称Zn O@GR).对复合材料的结构、形貌和光催化性能进行研究.在光催化降解亚甲基蓝(MB)的过程中,Zn O@GR展现出了好于纯Zn O粉末的光催化效果.这主要是由于Zn O与石墨烯复合之后,在紫外光的照射下,Zn O材料中产生的光生电子—空穴对中的电子迅速迁移到石墨烯材料中,大大降低了光生电子—空穴的复合几率,因而使复合材料的光催化降解性能提高.     

八面体γ-Bi2MoO6的表面活性剂辅助水热合成及其光催化性质（英文）

在有无表面活性剂CTAB辅助下,利用简单的水热法合成八面体和片状γ-Bi2MoO6.通过XRD、SEM、PL等对合成产物进行表征,由紫外可见漫反射(UV-vis)光谱发现产物在可见光域具有明显的光学吸收.以罗丹明B为目标降解产物,研究了γ-Bi2MoO6的光催化活性.结果显示:八面体γ-Bi2MoO6在太阳光下表现出高的光催化活性,罗丹明B的降解率达到95.7%,其主要归因于样品具有较低的光生电子-空穴的复合率.该方法为合成具有潜在光学应用的纳米多组分金属氧化物提供了一个温和、低廉的路线.     

八面体γ-Bi_2MoO_6的表面活性剂辅助水热合成及其光催化性质(英文)

在有无表面活性剂CTAB辅助下,利用简单的水热法合成八面体和片状γ-Bi2MoO6.通过XRD、SEM、PL等对合成产物进行表征,由紫外可见漫反射(UV-vis)光谱发现产物在可见光域具有明显的光学吸收.以罗丹明B为目标降解产物,研究了γ-Bi2MoO6的光催化活性.结果显示:八面体γ-Bi2MoO6在太阳光下表现出高的光催化活性,罗丹明B的降解率达到95.7%,其主要归因于样品具有较低的光生电子-空穴的复合率.该方法为合成具有潜在光学应用的纳米多组分金属氧化物提供了一个温和、低廉的路线.     

光催化材料

正半导体光催化是指光照射到半导体材料表面产生光生电子和空穴,光生电子具有强的还原能力,可以还原水制备氢气,还原CO2制备有机太阳燃料;光生空穴具有强的氧化能力,可以杀菌、消毒、降解污染物,自清洁材料表面等。半导体光催化材料已被国际公认为是一种最具潜力和重要的环境净化与太阳能转化材料,在环境、能源、化工、建材等领域应用前景十分广阔,是当前国际材料、化学、环境和能源等领域的研究前沿和热     

CuO/TiO2复合材料制备与光催化性能研究

采用溶胶—凝胶法在550℃热处理条件下制备纯TiO₂及CuO/TiO₂复合光催化材料.通过X射线衍射、扫面电子显微镜和荧光光谱等方法对催化剂的晶体结构、微观形貌，以及光生电子和空穴复合率进行表征，并以亚甲基蓝作为目标污染物，研究其光催化性能.结果表明，采用550℃热处理工艺制备的纯TiO₂为锐钛矿结构，Cu元素加入后，TiO₂中出现了微量的金红石，促进了锐钛矿向金红石转变，并且产生了CuO相，形成了CuO/TiO₂复合材料.CuO的产生有利于抑制光生电子与空穴的复合，但CuO/TiO₂对亚甲基蓝的降解率低于纯TiO₂,这可能是CuO/TiO₂复合材料的纳米颗粒团聚现象增强，比表面积降低所致.     

基于TiO2异质结在光电化学传感领域的应用

TiO2是一种常见的n型半导体材料,将TiO2与其他材料复合构成异质结能够拓宽TiO2光响应范围,减小光生空穴与光生电子重新结合的几率,提高整个体系的光电转换效率。主要对异质结作用于光催化的基本原理以及基于TiO2异质结在光电化学传感领域的应用做了相关综述。     

（γ-Fe_2O_3@SiO_2）_n@TiO_2核壳复合纳米粒子的性能研究

本文通过简单的方法合成（γ-Fe2O3@SiO2）n@TiO2核壳结构的复合纳米粒子,这种复合纳米粒子是由被硅氧化物包裹的γ-Fe2O3作为磁芯,外层是TiO2壳,形成直径为100nm的球状粒子。把这种复合纳米粒子放入亚甲蓝溶液中,用紫外光进行光分解试验其光催化能力已接近于纯TiO2。当γ-Fe2O3磁芯粒径约10nm时此种核壳复合纳米粒子显示出超顺磁性,超顺磁性的核壳复合纳米粒子可完全解除磁团聚。这就使得在实际应用中以往难以解决的TiO2的分离与回收问题迎刃而解,也使得TiO2功能材料在光催化领域与生物技术领域得到更加广泛的应用。     

TiO_2/x-GO纳米复合纤维的制备及其光催化性能的研究

为了提高TiO_2半导体的光催化性能,以钛酸四丁酯为钛源,氧化石墨烯(GO)粉末为添加剂,制备了不同GO浓度的前驱体溶液,然后采用静电纺丝法制备了TiO_2/x-GO纳米复合纤维。利用XRD,SEM表征分析了纳米复合纤维的物相结构、成分、结晶性和微观形貌。将纳米复合纤维加入亚甲基蓝溶液中,以可见光照射条件下亚甲基蓝的光催化降解率来表征纳米复合纤维的光催化性能。结果表明:添加GO粉末可降低TiO_2的团聚,提高其在纤维中的分散性,增大TiO_2/x-GO纳米复合纤维的比表面积;GO与TiO_2形成的异质结有利于提高TiO_2纳米复合纤维的结晶性和光催化性能。TiO_2/2-GO的光催化效果达到最佳,降解60 min时可达到99%的降解率。此外,使用静电纺丝制备的TiO_2/x-GO纳米复合纤维可避免TiO_2在使用过程的损耗而造成的浪费,更好地满足工业废水处理的需求。     

Ag修饰Bi2MoO6纳米材料的合成表征及光催化性能研究

以Sn(Ⅱ)为介质,采用原位还原法将Ag纳米粒子负载在Bi2MoO6微球上,通过改变Ag(NH3)2OH原料溶液的体积调控Ag的负载量.结果表明:Ag纳米粒子均匀的分散在Bi2MoO6纳米片表面,未发生明显团聚.该方法制备的Bi2MoO6/Ag纳米异质结催化剂在可见光下具有优异的可见光光催化活性,其原因主要是Ag纳米粒子作为良好的电子受体,可大大降低Bi2MoO6的光生电子空穴的复合概率.