金属钛酸盐基压电催化剂的最新进展:改善压电性能和调节载流子输运以提高催化性能

压电催化技术是一种新兴的催化方法,能够有效地将清洁、丰富的机械能(如水流动能、潮汐能和风能)转化为化学能,在化学催化领域展现出显著潜力,为环境修复和能源管理提供可持续的解决方案.金属钛酸盐因其良好的压电响应、环保特性和成本效益,在压电催化领域备受关注.然而,压电催化活性的不足限制了其实际应用.为克服这一挑战,提高机械能响应效率和减少能量转换过程中的损失成为关键.研究人员通常从两个核心策略出发:一是优化压电性能,二是调控载流子传输.深入理解这些策略在提高压电催化活性中的核心作用,对于设计高效压电催化剂并推动压电催化技术发展具有重要意义.本文系统地总结了金属钛酸盐的分类、合成方法和设计策略.首先,根据其在压电催化中的应用,将金属钛酸盐分为单金属钙钛矿钛酸盐、多金属钙钛矿钛酸盐和层状类钙钛矿钛酸盐,并从结构角度揭示了其压电特性的起源.其次,概述了金属钛酸盐的主要制备方法,包括水热法、固态反应法、熔盐法和静电纺丝法,并从提升催化性能角度比较了它们的优缺点.在金属钛酸盐的设计策略部分,探讨了构建准同型相界、应变工程、居里点控制、外场诱导极化和定向晶体生长等方法对改善压电性能的可行性.特别是,构建准同型相界和采用外场诱导极化,可以分别降低极化旋转的能垒和诱导宏观极化,在提升金属钛酸盐压电催化性能方面表现出显著效果.此外,还强调了助催化剂负载、碳材修饰和半导体异质结构在促进载流子分离中的重要作用.其中,空间分离的助剂修饰能够较大程度地提高载流子的分离效率,进而显著增强压电催化性能.最后,本文对基于金属钛酸盐的压电催化剂的技术发展进行了展望,旨在推动压电催化剂的合理设计和实际应用.具体建议包括:(1)规范压电催化性能评价体系,以实现不同系统间催化剂性能的统一、合理评价;(2)综合评估影响压电催化的因素,寻求最优解,并加强多种策略的耦合设计;(3)加强有限元模拟和密度泛函理论等理论支撑,开发应用原位技术,以深入探究压电效应在催化过程中的具体贡献,加深对压电催化机理的理解;(4)发展基于低速搅拌、水冲洗、机械刷等微弱动力的压电催化技术,并设计对低频机械能敏感的新型催化剂,以适应自然界的能量条件;(5)研究宏观支撑的压电催化剂设计,以提高在应力条件下的稳定性,同时增强可持续利用性;(6)耦合其他先进的氧化工艺,以加速活性物质的生产.综上,本文聚焦环境修复和能源应用,深入分析了从压电特性改善和载流子运输调节两个角度出发的多种策略在提升金属钛酸盐压电催化性能中的关键作用,并对该领域的未来发展趋势和面临的挑战进行了展望.本文旨在为高效压电催化剂的设计提供参考和借鉴.

应用前景广阔的无机钛酸盐

介绍了各种无机钛酸盐产品的性质、用途及合成技术，提出开发高附加值的钛酸盐类精细化工产品前景十分诱人。

6061铝合金表面氟钛酸盐协同硅烷复合膜的结构及缓蚀机理

为了提高铝合金的耐蚀性,采用无机物氟钛酸盐协同硅烷转化液在6061铝合金表面制备了硅烷-氟钛酸盐复合膜,通过扫描电镜(SEM)和能谱(EDS)对比了复合膜和氟钛酸盐转化膜的表面形貌及元素组成;用原子力显微镜(AFM)对比了复合膜和氟钛酸盐转化膜表面的均方根粗糙度;采用红外光谱(FTIR)和X射线光电子能谱(XPS)确定了复合膜的结构。结果表明:C,O,F,Al,Si,Ti,N是复合膜的主要组成元素,复合膜是由Si-O-Si,Si-O-Al等共价键形成的三维网状结构以及钛的氧化物TiO_2组成的;复合膜表面微突起结构的存在使得膜层表面的粗糙度增大,疏水性增强,因此耐蚀性能增强。最后对膜层的缓蚀机理进行了初步的探讨,得出:硅烷水解的羟基和钛盐钝化膜的氢氧根会发生反应,形成Si-O-M键,同时自身缩合形成的网状交联膜封闭钛盐膜表面的缺陷和空隙,阻碍氧与空气的进入,进一步提高了钛盐膜的耐蚀能力。

白光LED用钛酸盐红色荧光粉的研究进展

钛酸盐因具有优异的化学稳定性和光学性能而成为优异的发光基质材料,综述了钛酸盐作为白光LED用红色荧光粉的国内外研究进展。分别介绍了偏钛酸盐(MTiO3)型、正钛酸盐(M2TiO4)型和其他类型的钛酸盐红色荧光粉及其制备方法,并重点介绍了其光谱调控机理。对性能较好的荧光粉进行了重点推介,对钛酸盐红色荧光粉的发展趋势做了简要展望。

钛酸盐纳米管与二硫化碳修饰钛酸盐纳米管的合成、表征及其去除重金属离子性能

在水热法制备钛酸盐纳米管的基础上,通过形成黄原酸基反应合成了CS2修饰的钛氧纳米管.采用粉末X射线衍射(XRD)、透射电镜(TEM)、红外光谱(FTIR)和拉曼光谱(Raman)等技术对产物进行了表征.以水溶液中铅离子、铜离子和银离子作为目标重金属离子,分别用纯钛酸盐纳米管和CS2修饰后的钛氧纳米管对其进行反应和吸附,通过一系列对比性实验,评价了不同形式纳米管去除重金属的能力.实验结果表明,与文献报道的吸附剂对重金属离子的吸附量相比,纯钛酸盐纳米管和CS2修饰的钛氧纳米管吸附重金属离子的容量非常大,尤其是经CS2修饰后的钛氧纳米管去除铅离子的能力明显增强,它们去除重金属离子的能力还与重金属盐的阴离子、溶液的pH值相关.在相同的pH条件下,钛酸盐纳米管去除铅离子、铜离子和银离子的能力分别为599.37,163.22和474.73mg/g;CS2修饰的钛氧纳米管去除铅离子、铜离子和银离子的能力分别为663.37,160.21和423.05mg/g.

二氧化钛/钛酸盐纳米粉体的晶体生长机理研究进展

二氧化钛/钛酸盐纳米材料的晶型、尺寸、形貌和微结构等特征对物理化学性能有着至关重要的影响。晶体生长过程包括晶型转变和形貌演化等行为。本文综述了近年来在二氧化钛/钛酸盐纳米粉体材料晶型与形貌的控制合成工作中,材料晶型转变和形貌演化行为方面的研究进展。对奥斯特瓦尔德规则、奥斯特瓦尔德熟化机制、柯肯达尔效应和定向附着生长模式等重要的机理进行了阐述,并将晶体生长机理应用于二氧化钛/钛酸盐纳米粉体材料的合成过程中。不仅利用上述晶体生长机理解释了不同晶型、不同形貌二氧化钛/钛酸盐纳米粉体材料的生成原因,并且利用晶体生长机理指导二氧化钛/钛酸盐纳米粉体材料晶型与形貌的控制合成工作。

铝合金表面钛酸盐化学转化膜研究

基于含铬处理对环境影响的考虑,世界范围内都在积极开发有效的替代技术,用于铝合金腐蚀保护从而代替铬酸盐转化处理。研究了铝合金钛酸盐处理技术。通过循环极化曲线和盐雾试验测定,钛酸盐和铬酸盐化学转化膜都有非常宽的钝化区,在NaC l(c=0.5 mol/L)溶液中2种氧化转化膜均没有击穿电位;钛酸盐转化处理的样品经336 h盐雾试验表面无点腐蚀发生。钛酸盐转化膜可以为铝合金提供良好的腐蚀保护作用。

乙烷在钛酸盐复合氧化物上的氧化脱氢Ⅰ.锂掺杂对催化性能的影响

研究了掺杂钛酸盐催化剂用于乙烷氧化脱氢（ＯＤＨＥ）的催化行为，发现适量的Ｌｉ＋取代Ｔｉ４＋后可明显改善催化剂对乙烯的选择性．催化剂ＣａＴｉ０．９Ｌｉ０．１Ｏ３－δ在８５０℃时乙烷转化率和乙烯选择性分别为８７．８％和７１．７％，乙烯的单程收率为６３．０％；催化剂Ｓｒ０．９Ｃａ０．１Ｔｉ０．９Ｌｉ０．１Ｏ３－δ可在极宽的温度范围（７００～８５０℃）内保持很高的乙烯选择性（≥９０％）．Ｏ２－ＴＰＤ－ＭＳ和Ｈ２－ＴＰＲ实验结果表明，Ｌｉ＋取代Ｔｉ４＋后在催化剂晶格中产生非完全还原的氧（Ｏδ－），该氧物种是ＯＤＨＥ反应的活性氧种，直接与催化剂的乙烯选择性相关．ＯＤＨＥ反应机理与甲烷氧化机理具有某些相似性．反应条件考察结果表明，低空速有利于乙烷的低温转化，高空速可抑制气相中非催化反应的进行，有利于乙烯的选择性，尤其是高温下乙烯的选择性．

钛酸盐功能材料的研究与应用

本文综述了钛酸盐功能材料的各种性质、合成方法及用途。指出关于新型钛酸盐产品的制备、新性能的发现及寻求新的应用领域是一项值得深入研究的课题。

掺Pr^(3+)钛酸盐红色长余辉发光性质比较

通过荧光光谱和磷光衰减曲线比较了CaTiO3∶Pr3+(CaTP),Ca0.8Zn0.2TiO3∶Pr3+(CaZnTP)和Ca2Zn4Ti15O36:Pr3+(Ca2Zn4TP)掺Pr3+钛酸盐的红色长余辉发光性质.测定了它们的热释光曲线.CaTP,CaZnTP和Ca2Zn4TP的热释光峰值分别是49℃,62℃和75℃,热释峰相对强度分别是220,186和1254,这表明掺Pr3+钛酸盐晶体中的缺陷陷阱能级深度为Ca2Zn4TP>CaZnTP>CaTP,陷阱中电子的逸出速率是CaZnTP>CTP>Ca2Zn4TP.从理论上解释了余辉时间顺序为Ca2Zn4TP>CaZnTP>CaTP,起始发光强度顺序为CaZnTP>CTP>Ca2Zn4TP的变化规律.

不同TiO_2原料制备一维钛酸盐纳米材料(英文)

以不同二氧化钛为原料, 用水热法制备一维钛酸盐纳米材料. 原料一次粒径和晶体结构对一维纳米钛酸盐的形貌和结构的影响很大. 原料的一次粒径越小, 反应过程中产物的形貌和晶相转变越快; 纯锐钛矿相有利于钛酸盐纳米管的形成, 而少量金红石相则有利于纳米管向纳米线的进一步转变和晶相转变.

钛酸盐纳米管的水热合成及晶型研究

以锐钛矿相为主的氧化钛粉体为原料,在强碱性条件下采用水热合成法制备出外径约10nm的钛酸盐纳米管。用TEM、SEM、XRD和EDS等对不同工艺条件下获得的产物进行了表征,对其热稳定性进行了测试。研究结果表明,纳米管是在NaOH水热处理过程中形成的,而不是在清洗和浸泡过程中形成的。通过控制浸泡液的pH值,可以获得组分为NaxH2-xTi3O7或NaxH2-xTi3O7与TiO2混合物纳米管。纳米管具有较好的热稳定性,在400℃热处理后,其晶型与热处理前无明显变化,500℃热处理后,仍保持纳米管状结构。随着热处理温度的提高,锐钛矿相逐渐向金红石相转变,同时金红石型TiO2和Na2Ti3O7反应生成新的晶相Na2Ti6O13,至800℃时主要以Na2Ti6O13晶体存在,同时有少量金红石型TiO2。

温度对钛酸盐纳米管水热转化的TiO_2纳米晶形貌演变的影响机制

钛酸纳米管水热转化是制备晶相组成和形貌可调控TiO2纳米晶的工艺易控及成本低且收率高的途径。本文研究了两种pH值体系中,水热处理温度对钛酸纳米管水热转化的TiO2纳米晶形貌演变的影响。当钛酸悬浮液的pH值为2.0时,钛酸纳米管水热转化为锐钛矿相纳米晶,且随着水热温度的升高,纳米晶的形貌向规则的双锥形演变;对于pH为0.5的强酸性体系,钛酸纳米管水热转化为金红石相纳米棒,并随着水热温度的升高,其形貌向带有两锥形尖端的长方体纳米棒演变。最后,结合TEM和HRTEM分析,探讨了钛酸纳米管向不同晶相组成和形貌的TiO2纳米晶的水热转化及其形貌演变机制。

水热合成钛酸盐纳米管的晶型结构及光催化活性

以锐钛矿相为主的氧化钛粉体为原料,在强碱条件下采用水热合成法制备出外径约10nm的钛酸盐纳米管。采用TEM、XRD和EDS对产物进行表征,并对其热稳定性、光催化活性进行测试,研究结果表明:制得的纳米管的结晶程度很低,主要成分为钛酸钠,含少量锐钛矿二氧化钛;煅烧温度对钛酸盐纳米管的晶型结构和光催化活性有显著影响。未煅烧及400℃煅烧的纳米管光催化活性较低,500℃煅烧后具有较高的光催化活性,但煅烧温度高于600℃后,由于锐钛矿晶体减少,纳米管的光催化活性降低。

掺杂钛酸盐对乙烷氧化脱氢催化性能的研究

在７００～８５０℃范围内研究了掺杂ＣａＴｉＯ３、ＳｒＴｉＯ３催化剂用于乙烷氧化脱氢（ＯＤＨＥ）的催化行为。发现这类催化剂对ＯＤＨＥ均有一定的催化活性。适量的Ｌｉ＋取代Ｔｉ４＋后不仅提高了催化活性，而且改善了催化剂对乙烯的选择性。催化剂ＣａＴｉ０．９Ｌｉ０．１Ｏ３－δ在８５０℃时乙烷转化率和乙烯选择性分别为８７．８％和７１．７％。Ｓｒ对Ｃａ部分取代后制得的催化剂可在极宽的温度范围内（７００～８５０℃）保持较高的乙烯选择性（≥９０％）。讨论了低价Ｌｉ￣＋取代高价Ｔｉ￣（４＋）后在催化剂晶格中形成氧空位进而生成非完全还原氧，发现该氧物种与乙烯选择关联很好。低空速有利于乙烷的低温转化，高空速则有利于乙烯的选择性，尤其是高温选择性。催化剂中的碱土金属离子易与ＣＯ２作用生成碳酸盐等，阻碍了反应物与催化剂表面活性中心的作用，当温度升高后碳酸盐分解放出ＣＯ２时，催化剂才表现出原来应有的活性。

钛酸盐沸石分子筛催化苯酚羟基化反应的研究

采用Ｘ射线粉末物相分析、红外及紫外漫反射光谱、差热分析、ＮＨ３脱附法和气体吸附等测试手段研究了ＴｉＳｉ沸石ＴＳ１，ＴＳ２，ＴｉＺＳＭ４８及钛酸钠、钛铝酸钠和钛酸铜分子筛的性能和结构．利用苯酚羟基化反应证明了含有ＴｉＯ４四配位结构单元的沸石分子筛具有催化氧化活性．考察了各种实验条件对苯酚羟基化反应的影响．

由钛酸盐纳米带水热制备锐钛矿型TiO_2纳米带

研究了水热处理具有层状结构的钛酸钠纳米带或钛酸纳米带转化为锐钛矿型TiO2的制备过程、难易程度和相转化机理.实验结果表明,当水热反应温度和时间分别在160℃和24h以内,钛酸钠纳米带很难完全转化为锐钛矿型TiO2,若升高反应温度并延长反应时间,则可制得纯的锐钛矿型TiO2,但纳米带形貌被严重破坏;当水热反应温度和时间分别为160℃和16h时,1次酸洗的钛酸纳米带能够完全转化为锐钛矿型TiO2,若钛酸纳米带经过3次强酸浸泡,则在160℃下相转化时间就会缩短到12h,所有钛酸纳米带在转化为TiO2后的形貌仍为纳米带,但经3次酸浸后生成的TiO2纳米带表面更光滑.讨论了钛酸钠纳米带或钛酸纳米带转化为锐钛矿型TiO2的相转化机理.

钛酸盐分子筛的合成研究

以TPAOH和TEAOH模板剂分别合成了具有孔道结构的钛酸铜、钛铝酸钠和钛酸钠分子筛．采用X射线衍射、红外光谱、紫外光谱、扫描电镜、差热分析、NH3-脱附法及气体吸附法等测试手段对钛酸盐分子筛的物性及结构进行了表征．利用苯酚羟基化反应及气相色谱法证明了具有四配位TiO4外结构单元的钛酸铜分子筛的催化氧化性能．

氧化硅柱层状镧钛酸盐的制备和表征

本文报道通过先用正己胺盐酸盐水溶液与Ｋ２Ｌａ２Ｔｉ３Ｏ１０发生离子交换得到正己铵离子柱撑的层状镧钛酸盐，然后再与氨基丙基三乙氧基硅烷的正八面体多聚体作用，最后将层间的有机物焙烧分解掉后可得新型氧化硅柱层状镧钛酸盐。采用Ｘ射线衍射（ＸＲＤ）、红外光谱（ＩＲ）、差热热重分析（ＴＧ／ＤＴＡ）、透射电子显微镜（ＴＥＭ）和比表面测定等方法对该新材料进行了表征。结果表明，所得氧化硅柱层状镧钛酸盐具有很高的热稳定性（＞８００℃）和较大的层间距（ｄ００１＝１．７３ｎｍ，５００℃）及比表面（４３０ｍ２ｇ－１，５５０℃）。

水热法制备钛酸盐纳米管的研究进展

作为一种有诱人前景的新材料,钛酸盐纳米管的研制开发正在国内外展开。介绍了钛酸盐纳米管的微观结构和形成机理;综述了目前最为常见的钛酸盐纳米管的合成方法———水热法以及水热法制备钛酸盐纳米管的诸多影响因素:NaOH的浓度、反应时间和反应温度等;简要介绍了钛酸盐纳米管的应用。