可见光响应(001)晶面纳米TiO_2光催化剂的制备及性能研究

以钛酸丁酯为钛源,氢氟酸为形貌控制剂,采用水热法合成了具有高表面能(001)晶面的锐钛矿相TiO_2纳米材料。利用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)及紫外-可见漫反射光谱分析(UV-vis)对样品的形貌、结构和谱学性能进行表征,并以甲基橙溶液为目标污染物,研究其光催化性能和最佳制备条件。结果表明,以氢氟酸为形貌控制剂时,可制备锐钛矿相(001)晶面纳米TiO_2纳米材料,能拓宽TiO_2体系光响应范围,并具有较高的光催化性能;当反应温度为180°C、时间为24 h、F/Ti摩尔比为1.5时,样品对甲基橙溶液光催化降解率最高,在紫外光照射条件下1 h内降解率可达99.08%,其可见光降解率为66.79%。

(001)/(101)晶面暴露TiO_(2)光催化氧化甘油制备甲酸研究

采用水热法制备了(001)/(101)晶面暴露的TiO_(2)催化剂,对其光催化氧化甘油制备甲酸性能进行了研究。利用SEM、TEM、XRD、XPS、EPR、Raman、UV-vis DRS和PL对TiO_(2)的结构和光学性能进行表征。结果表明,以钛酸异丙酯为Ti源,以氢氟酸为形貌控制剂,通过水热法合成的TiO_(2)暴露出(001)晶面。氢氟酸加入量为2 mL的样品(TiO_(2)-2F)同时暴露锐钛矿(001)和(101)晶面,表现出最高的催化活性和选择性。紫外光照射4 h,TiO_(2)-2F催化剂上甘油转化率为49.0%,甲酸选择性为55.6%。界面接触的(001)和(101)晶面形成表面异质结,抑制光生载流子的复合,提高甘油光催化氧化活性。(001)晶面的氧空位和配位不饱和O_(2c)-Ti_(5c)-O_(2c)键合方式使甘油及其中间产物深度氧化,提高甲酸选择性。机理分析表明,·OH和·O^(-)_(2)是甘油选择性氧化制备甲酸的关键活性物种。

暴露晶面Fe_3O_4/{001}TiO_2纳米材料的构建与光催化性能的提高

暴露{001}晶面的TiO_2的化学性质稳定,无毒,表面活性位点多,已被证明是一种很有前景的光催化材料。本研究以钛酸四丁酯为钛源,以氢氟酸为覆盖剂,采用水热法制得{001}TiO_2,并通过共沉淀法成功得到Fe_3O_4/{001}TiO_2纳米复合材料。采用扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、X射线衍射(XRD)、X光电子能谱(XPS)、振动样品磁强计(VSM)和紫外-可见漫反射光谱分析(UV-Vis DRS),对产物的形貌、结构、磁性能和光吸收特性进行了测试表征,并以罗丹明B染料(Rh B)为目标降解物,研究了Fe_3O_4/{001}TiO_2的光催化降解活性。结果表明,制备的{001}TiO_2是长度约为50nm、厚度约为10nm的锐钛矿纳米片,Fe_3O_4是直径为5nm的磁性颗粒,Fe_3O_4/{001}TiO_2具有超顺磁性能,其饱和磁强度为16 emu·g^(-1),利用磁场可以将其分离回收。当Fe_3O_4与{001}TiO_2的配比量为20wt%时,Fe_3O_4/{001}TiO_2催化剂在可见光下对罗丹明B染料(Rh B)的降解率为83.8%。

暴露{001}晶面TiO2纳米片自组装微球的制备及光降解性能

为提高TiO2的光催化性能,基于光催化反应的表面特性,通过一步溶剂热法制备了暴露{001}晶面TiO2纳米片自组装微球,并研究了不同钛源、不同溶剂和不同反应时间对产物的影响;通过FESEM、TEM、HRTEM、XRD、XPS等手段对所得产物进行表征;通过甲基橙降解时评价样品的光降解性能。结果表明:选用异丙醇钛为钛源、异丙醇为溶剂、二乙烯三胺为盖帽剂、反应时间为12 h条件下合成的自组装微球具有大小均一、分散性好的多级结构并且暴露出高活性{001}晶面;且合成的TiO2微球具有较高的光降解性能,仅在光照15 min后,甲基橙的降解率便达到了100%。

AgBr/TiO_2(001)纳米片可见光光催化剂的制备

以暴露高能面(001)面的TiO2纳米片为载体,NaBr和CTAB分别为溴源,通过浸渍-沉积法合成AgBr/TiO2(001)纳米片复合可见光催化剂。采用X射线衍射(XRD)、透射电镜(TEM)、X射线光电子能谱(XPS)、紫外-可见光谱(UV-Vis)等手段对其进行了表征。在可见光(λ>420nm)的辐照下,通过降解甲基橙来评价合成样品的可见光催化性能,探讨AgNO3的用量、不同溴源和F-在TiO2纳米片表面残留对催化性能的影响。结果表明,以NaBr为溴源制备Ag/AgBr@TiO2复合催化材料,当AgNO3添加量为0.313 5g时,其综合效果最优;而以CTAB为溴源制备的样品其催化活性明显高于以NaBr为溴源制备的样品;TiO2纳米片表面残留F-离子对活性略有影响。

暴露高活性晶面的TiO_2纳米管的制备及生物活性

采用多次阳极氧化技术,在金属钛表面制备(001)晶面族择优生长的TiO_2纳米管阵列,研究电解液成分对锐钛矿TiO_2不同晶面相对比例的影响并考察其生物学活性。采用扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)等方法分析纳米管阵列的形貌特征和晶体结构,通过生物矿化CaP盐的沉积和蛋白吸附实验评价样品晶面对生物活性的影响。结果表明:通过改变电解液中H_2O的含量,能够便捷调控锐钛矿TiO_2纳米管中不同晶面的相对比例。当H_2O含量为2%(体积分数)时,制备得到的TiO_2纳米管阵列(004)晶面的织构系数T_(c(004))可达4.76。而具有(001)优势晶面族的TiO_2纳米管,在类人体环境中能够为生物矿化和蛋白吸附提供更多的活性位点,加速羟基磷灰石的沉积并增加蛋白吸附量,表现出更优异的生物学活性。

晶面调控促进Pt/TiO_(2)催化剂对丙烷及苯系物的催化氧化活性

在TiO_(2)水热合成过程中,通过引入氟化铵(NH4F)和氢氟酸(HF)作为晶面调控剂,来获得高暴露(001)晶面的锐钛矿型TiO_(2),并通过浸渍法负载Pt制得相应的Pt/TiO_(2)催化剂。结果表明:NH4F和HF的介入,虽然均能提高纳米TiO_(2)的(001)晶面暴露比例,并增大其晶粒尺寸,但同时均降低了其比表面积,协同影响着催化剂的催化活性;HF的介入对TiO_(2)的(001)晶面调节功效最大,显著提高了所得Pt/TiO_(2)-HF催化剂对苯系物及丙烷的催化氧化活性;相较于空白Pt/TiO_(2)催化剂试样,在Pt/TiO_(2)-HF催化剂作用下的苯系物T_(97)由198℃降低至181℃,丙烷T50由431℃降低至363℃(T_(97),T_(50)分别表示转化率为97%,50%时的反应温度)。

退火温度对TiO_2/CdSe纳米片异质结薄膜光电性能的影响

采用水热法在FTO上制备(001)高活性晶面主导的TiO_2纳米片薄膜,利用循环伏安法在TiO_2纳米片薄膜上沉积CdSe颗粒,制备了TiO_2/CdSe纳米片异质结薄膜。分别在150、250、350、450℃,氩气保护气氛中对样品进行退火。利用X射线衍射仪(XRD)、场发射扫描电镜(FESEM)、X射线光电子能谱分析仪(XPS)、紫外-可见(UV-Vis)分光光度计以及电化学工作站对不同温度退火后的TiO_2/CdSe纳米片异质结薄膜的微观形貌、晶体结构、光电化学性能进行表征和测试。结果表明:六方相CdSe纳米颗粒均匀包覆在TiO_2纳米片表面,直径30 nm左右;随着退火温度的升高CdSe纳米颗粒长大,形成光滑的CdSe薄膜,且晶化程度提高;TiO_2纳米片表面的Se元素与Cd元素发生氧化;TiO_2/CdSe纳米片异质结薄膜对可见光的吸收光谱发生红移,禁带宽度逐渐减小。光电化学性能测试表明随着退火温度的升高,TiO_2/CdSe纳米片异质结薄膜的光电流密度显著提高,开路电压减小,但由于SeO_2和CdO的出现,导致填充因子减小,影响光电转换效率的提高。在本实验条件下,TiO_2/CdSe纳米片异质结薄膜的最佳退火温度为150℃,填充因子为0.77,光电转换效率达到3.12%。

PDA修饰的二氧化钛纳米晶葡萄糖生物传感器研究

在本工作中,以钛箔为基底,制备了具有暴露(001)和(101)晶面的单晶锐钛矿TiO_(2)薄膜,通过紫外光沉积得到了含有聚多巴胺(PDA)的晶面。(001)和(101)晶面所形成的面异质结提高了TiO_(2)纳米晶的光生电荷自分离能力;PDA的涂覆不仅拓宽了TiO_(2)/PDA电极材料的光吸收能力,还增加了对目标酶分子的吸附,促进了酶促反应的发生。通过进行葡萄糖测试,所构建的TiO_(2)/PDA/GOx生物传感器在0~3 mM的线性范围内灵敏度达到10.51μA·mM^(-1)cm^(-2),检测限较低(LOD)为0.046μM(S/N=3)。

新型溶剂热体系制备特殊暴露面锐钛矿TiO_(2)纳米棒的合成研究

以四丁基氢氧化铵(TBAH)为形貌控制剂,采用一种新的无氟溶剂热反应体系,实现了特定晶面的可控合成,制备出了锐钛矿型TiO_(2)单晶纳米棒材料。所获得的TiO_(2)纳米棒主要由表面的{010}小平面控制。用该纳米棒制成的染料敏化电池(DSSCs)的短路电流密度Jsc约为10.9 mA/cm^(2),开路电压V_(oc)约为0.74 V,光电功率转换效率约为5.75%;比用商业P25型TiO_(2)制成的DSSCs具有更为优异的电池性能,电池的短路电流密度、填充因子、功率转换效率分别提高了2.83%、10.94%和10.58%。在材料表征的基础上,对其形成机理进行了初步的探讨。