二氧化钛光催化纳米材料的可控合成及其光催化性能研究

二氧化钛光催化纳米材料的可控合成及其光催化性能研究
近年来二氧化钛基光催化剂由于其优良的稳定性,价格低廉,无毒环保等优
点被广泛应用于光催化降解污染物,人工光合成以及光解水制氢等领域。

然而,
一些固有缺点仍存在于二氧化钛中并限制了其进一步发展。

如较宽的带隙（3.0-3.3 eV）决定了二氧化钛只能利用太阳光中4%左右的
紫外光,而太阳光中约40%的可见光部分则无法利用。

同时,较快的光生载流子复合速率使已经被激发了的电子空穴无法有效的迁移至催化剂表面参与到后续的
反应中去。

为了克服这些缺点,本文对二氧化钛纳米材料进行了一系列的改性,具体研
究内容如下:1.我们提出了一种简便温和的光辅助还原法制备高活性氮、氟共掺杂富含大量氧缺陷的二氧化钛纳米材料,该材料同时暴露{001}和{101}面。

采用NH₄TiOF₃介观晶体作为中间物,在其转化为二氧化钛的过程中会释放氮、氟离子作为掺杂源,同时高活性{001}晶面得以保持。

一系列表征结果显示氧缺陷和氮、氟掺杂是在光辅助还原过程中进入二氧化钛晶格,随后将其应用于可见光下光催化降解苯酚和罗丹明B,发现改性之后的
二氧化钛其可见光催化活性显著增强。

活性提高的原因主要是由于氧缺陷在二氧化钛导带底部引入缺陷能级,使其光吸收范围扩展至可见光区域,同时缺陷和阴
离子掺杂以及高活性{001}晶面的存在对光生载流子的分离起到了协同促进作用。

2.光催化材料的形貌对其性能有着非常重要的影响,因此我们在上一个工作的基础上以纯的NH₄TiOF₃介观晶体为前驱体,设计并
合成了缺陷基氮、氟掺杂二氧化钛中空毛刺立方块纳米结构。

NH₄TiOF₃在硼酸溶液中逐渐转化为空心结构的二氧化
钛同时释放出氮、氟离子,表征结果显示该中空结构是由非常小的{001}面主导的二氧化钛纳米片按照一定的方向自组装而成。

随后用温和的光辅助还原法在材料中引入氧缺陷和掺杂提高材料在光催化降解以及光电化学测试过程中对可见光的利用。

测试结果表明改性之后的二氧化钛光催化性能明显提高主要是由于:（1）氧缺陷的引入降低了二氧化钛的禁带宽度,提高了可见光的吸收,（2）入射光在中空毛刺结构中发生了多重反射,增强了光的利用,（3）缺陷和掺杂可以作为光生载流子的浅势捕获阱,{001}和{101}晶面之间由于能带差异形成了表明异质结,空心结构降低了载流子由体相传输到表面的路径,这些原因都能有效促进光生电子空穴对的分离。