2006 NM CdS–Au–TiO2
CdS量子点敏化TiO2纳米管阵列的制备及其光电性能研究的开题报告
CdS量子点敏化TiO2纳米管阵列的制备及其光电性能研究的开题报告一、课题背景以太阳能光电转换为代表的可再生能源被认为是未来能源领域的关键技术之一。
作为太阳能电池中的主要材料之一,二氧化钛(TiO2)因其结构简单、四面体对称、化学稳定、生物相容性好等特性而备受关注。
传统上,TiO2薄膜电极常用于染料敏化太阳能电池中。
然而,TiO2纳米管阵列电极相对于TiO2薄膜电极拥有更高的比表面积、更好的电子传输性能和更优异的光学性能。
因此,TiO2纳米管阵列电极是目前研究的热点之一,同时制备与表征TiO2纳米管阵列电极的方法也受到广泛研究。
CdS量子点是一种新兴的碲族半导体纳米材料。
由于其量子尺寸效应和带边调节作用,CdS量子点具有可调谐的光学特性、较高的激子效率和较长的激子寿命。
CdS量子点敏化的TiO2纳米管阵列电极能够使用可见光较好的吸收率,提高太阳能电池的转换效率。
因此,研究CdS量子点敏化TiO2纳米管阵列电极的制备方法和光电性质具有重要的意义。
二、研究目的本课题旨在研究CdS量子点敏化TiO2纳米管阵列电极的制备工艺,探索其光电性能,并进一步优化太阳能电池性能。
三、研究内容和方法本课题的主要研究内容包括以下几个方面:1. 制备CdS量子点敏化TiO2纳米管阵列电极的方法:采用阳极氧化法在Ti板上制备TiO2纳米管阵列电极,并通过浸渍法或物理还原法在电极表面负载CdS量子点。
2. 表征CdS量子点敏化TiO2纳米管阵列电极的性质:采用傅里叶变换红外光谱(FTIR)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、紫外可见漫反射光谱(UV-vis DRS)、X射线衍射(XRD)等方法对制备的CdS量子点敏化TiO2纳米管阵列电极进行表征。
3. 测定CdS量子点敏化的TiO2纳米管阵列电极在光电转换中的性能:采用电化学工作站进行电化学性能测试,包括光电流-电压曲线(I-V 曲线)、电化学阻抗谱(EIS)和循环伏安(CV)曲线测量等。
二氧化钛
纳米二氧化钛利用自然光在常温和常压条件下即可催化 分解细菌和污染物,无毒,环境友好。
➢ 纳米TiO2的光催化原理
关于TiO2光催化机理,目前较为成熟的是基于半导体 能带理论的电子—空穴作用机理。作为一种n 型半导体材 料,TiO2的能带是由一个充满电子的低能价带和一个空的 高能导带构成,价带和导带之间的区域为禁带,禁带的宽 度为带隙能(禁带宽度)。 TiO2的带隙能为3.0~3.2eV ,相当 于波长为387.5nm的光子能量。
其主要反应如下所示: TiO2 + hν→e- + h+ , h+ + OH- →·OH , h+ + H2O →·OH + h+ , e- + O2 →·O2- , ·O2- + h+ →HO2·, 2HO2·→O2 + H2O2 , H2O2+·O2- →·OH + OH- + O2
TiO2受紫外线激发而产生的h+是一种强氧化剂,可直接氧 化许多有机物。同时·O2-和·OH也具有很强的化学活性。·O2能和多数有机物反应,将其氧化分解为CO2和H2O 。
由于TiO2量子效率低,难以用来处理数量大、浓度高 的废水,为了提高TiO2光催化活性和对光的利用率,缩短 催化剂的禁带宽度使吸收光谱向可见光扩展,是提高太阳 能利用率的技术关键.改性后的TiO2降低了电子一空穴在 表面的复合机率,将可利用光谱从紫外光区扩展到可见光 区,体现出了越来越多的优越性.
在可见光下,这类光敏化物质有较大的激发因子, 使光催化反应延伸到可见光区,扩大了激发的波长的最 高占有能级、半导体的能级以及最低空能级的支配。当 色素的最低空能级的电位比半导体的导带能级的电位更 负时,产生电子输入的光敏化,而半导体的能隙高于色 素,在这种情况下,半导体不能被激发但是色素可以被 激发。
TiO2光催化原理和应用
TiO2光催化原理及应用一.前言在世界人口持续增加以及广泛工业化的过程中,饮用水源的污染问题日趋严重。
根据世界卫生组织的估计,地球上22% 的居民日常生活中的饮用水不符合世界卫生组织建议的饮用水标准。
长期摄入不干净饮用水将会对人的身体健康造成严重危害, 世界范围内每年大概有200 万人由于水传播疾病死亡。
水中的污染物呈现出多样化的趋势,常见的污染物包括有毒重金属、自然毒素、药物、有机污染物等。
常规的饮用水净化技术有氯气、臭氧和紫外线消毒以及过滤、吸附、静置等,但是这些方法对新生的污物往往不是非常有效,并且可能导致二次污染。
包括我国在内世界范围内广泛应用的氯气消毒法,可能在水中生成对人类健康有害的高氯酸盐。
臭氧消毒是比较安全的消毒方法,但是所需设备昂贵;而紫外线消毒法需要能源支持,并且日常的维护都需要专业的技术人员;吸附法一般需要消耗大量的吸附剂,使用过的吸附剂一般需要额外的处理。
这些缺点限制了它们的应用范围,迫切需要发展一种高效、绿色、简单的净化水技术。
自然界中,植物、藻类和某些细菌能在太阳光的照射下,利用光合色素将二氧化碳(或硫化氧)和水转化为有机物,并释放出氧气(或氢气)。
这种光合作用是一系列复杂代谢反应的总和,是生物界赖以生存的基础,也是地球碳氧循环的重要媒介。
光化学反应的过程与植物的光合作用很相似。
光化学反应一般可以分为直接光解和间接光解两类。
直接光解为物质吸收能量达到激发态,吸收的能量使反应物的电子在轨道间的转移,当强度够大时,可造成化学键的断裂,产生其它物质。
直接光解是光化学反应中最简单的形式,但这类反应产率一般较低。
间接光解则为反应系统中某一物质吸收光能后,再诱使另一种物质发生化学反应。
半导体在光的照射下,能将光能转化为化学能,促使化合物的合成或使化合物(有机物、无机物)分解的过程称之为半导体光催化。
半导体光催化是光化学反应的一个前沿研究领域,它能使许多通常情况下难以实现或不可能进行的反应在比较温和的条件下顺利进行。
CdS-TiO2纳米复合结构的制备及其光催化机制的研究的开题报告
CdS-TiO2纳米复合结构的制备及其光催化机制的研究的开题报告一、研究背景和意义光催化技术是一种绿色环保的新型处理技术,可以有效地降解和处理有机污染物、重金属离子等环境污染物。
但是,传统的光催化材料存在光吸收较弱、光催化效率低等缺陷,因此需要开发新型的光催化材料,提高光催化效率。
CdS-TiO2纳米复合结构是一种新型、高效的光催化材料,其在光催化方面表现出良好的性能。
CdS是一种具有良好光响应性能的半导体材料,TiO2是一种稳定的氧化物材料,将两者组合在一起可以有效地提高光催化效率。
因此,通过制备CdS-TiO2纳米复合结构,并对其光催化机制进行研究,可以为环境污染物的降解和处理提供新的解决方案,具有重要的科研价值和实际应用价值。
二、研究内容和方法1.研究内容(1)制备CdS-TiO2纳米复合结构,通过SEM、TEM等表征手段对其形貌和结构进行分析。
(2)研究CdS-TiO2纳米复合结构的光催化性能,通过对RhB溶液的降解实验对其光催化效果进行评估。
(3)研究CdS-TiO2纳米复合结构的光催化机制,通过UV-vis漫反射光谱、XRD、XPS等手段对其光学性能和化学性质进行分析。
2.研究方法(1)制备CdS-TiO2纳米复合结构,采用水热法、溶胶-凝胶法等常见的化学合成方法。
(2)光催化性能评估,将制备的CdS-TiO2纳米复合材料加入RhB溶液中,通过紫外-可见光谱对其光催化效果进行监测。
(3)机理研究,通过对CdS-TiO2纳米复合结构的光物理性质和化学性质进行深入分析,以了解其光催化机制。
三、研究预期成果通过本研究,预计可以获得以下成果:(1)成功制备CdS-TiO2纳米复合结构,得到其形貌和结构特征。
(2)评估CdS-TiO2纳米复合材料的光催化效果,验证其在光催化领域的应用前景。
(3)揭示CdS-TiO2纳米复合材料的光催化机理,增加对其光学性质和化学性质的认识。
(4)为环境污染物的降解和处理提供新的解决方案和理论基础,具有较高的实际应用价值。
纳米TiO2的制备方法
纳米TiO2的制备方法摘要:报告主要研究了纳米TiO2的制备方法,包括物理法、化学法和综合法。
其中物理法主要是气相蒸发沉积法,蒸发-凝聚法;化学法包括溶胶-凝胶法,沉淀法,水解法,气相水解法等;综合法涉及到激光CVD 法,等离子CVD 法。
关键词:气相蒸发沉积法水解法 CVD 法近年来,伴随着全球环境污染日益严重,纳米半导体光催化剂材料一直是材料学和光催化学研究的热点。
目前,比较简单的半导体光催化剂有TiO2、SnO2、Fe2O3、MoO3、WO3、PbS、ZnS、ZnO 和CdS 等,纳米TiO2因其具有性质稳定、抗光腐蚀性强、耐酸碱腐蚀性强、原料丰富等优点。
制备纳米TiO2粉体的方法有很多,按照所需粉体的形状、结构、尺寸、晶型、用途选用不同的制备方法。
根据粉体制备原理的不同,这些方法可分为物理法、化学法和综合法。
1 物理法物理法是最早采用的纳米材料制备方法,其方法是采用高能消耗的方式,“强制”材料“细化”得到纳米材料。
物理法的优点是产品纯度高。
1. 1 气相蒸发沉积法此法制备纳米TiO2粉体的过程为: 将金属Ti 置于钨舟中,在( 2 ~ 10) ×102 Pa 的He 气氛下加热蒸发,从过饱和蒸汽中凝固的细小颗粒被收集到液氮冷却套管上,然后向反应室注入5 ×103 Pa 的纯氧,使颗粒迅速、完全氧化成TiO2粉体。
利用该方法制备的TiO2纳米粉体是双峰分布,粉体颗粒大小为14 nm。
1. 2 蒸发-凝聚法此法是将将平均粒径为3 μm 的工业TiO2轴向注入功率为60 kW 的高频等离子炉Ar - O2混合等离子矩中,在大约10 000 K 的高温下,粗粒子TiO2汽化蒸发,进入冷凝膨胀罐中降压,急冷得到10 ~ 50 nm 的纳米TiO2。
2 化学法化学法可以根据反应物的物态,将其划分为液相化学反应法、气相化学反应法和固相反应法。
此类方法制造的纳米粉体产量大,粒子直径可控,也可得到纳米管和纳米晶须,同时,该法能方便地对粒子表面进行碳、硅和有机物包覆或修饰处理,使粒子尺寸细小且均匀,性能更加稳定。
TiO2综述
TiO2综述纳⽶TiO2的性能、应⽤及其制备⽅法综述摘要:纳⽶TiO2具有独特的光催化性、优异的颜⾊效应以及紫外线屏蔽等功能, 在光催化剂、化妆品、抗紫外线吸收剂、功能陶瓷、⽓敏传感器件等⽅⾯具有⼴阔的应⽤前景。
国内外⽂献对纳⽶TiO2的性质、应⽤及其制备⽅法进⾏了⼤量的性能、应⽤及制备⽅法研究进⾏了综述。
的研究报道, 本⽂对有关纳⽶TiO2关键字:纳⽶TiO2、性能、应⽤、制备⼀、简介:纳⽶⼆氧化钛,亦称纳⽶钛⽩粉。
从尺⼨⼤⼩来说,通常产⽣物理化学性质显著变化的细⼩微粒的尺⼨在100纳⽶以下,其外观为⽩⾊疏松粉末。
具有抗紫外线、抗菌、⾃洁净、抗⽼化功效,可⽤于化妆品、功能纤维、塑料、油墨、涂料、油漆、精细陶瓷等领域。
⼆、分类:①、按照晶型可分为:⾦红⽯型纳⽶钛⽩粉和锐钛型纳⽶钛⽩粉。
②、按照其表⾯特性可分为:亲⽔性纳⽶钛⽩粉和亲油性纳⽶钛⽩粉。
③、按照外观来分:有粉体和液体之分,粉体⼀般都是⽩⾊,液体有⽩⾊和半透明状。
三、纳⽶TiO2的性能:纳⽶TiO2除了具有与普通纳⽶材料⼀样的表⾯效应、⼩尺⼨效应、量⼦尺⼨效应和宏观量⼦隧道效应等外, 还具有其特殊的性质, 尤其是催化性能。
3. 1 基本物化特性纳⽶TiO2有⾦红⽯、锐钛矿和板钛矿3种晶型。
⾦红⽯和锐钛矿属四⽅晶系, 板钛矿属正交晶系,⼀般情况下,板钛矿在650℃转变为锐钛矿,锐钛矿915℃转变为⾦红⽯。
结构转变温度与TiO2颗粒⼤⼩、含杂质及其制备⽅法有关,颗粒愈⼩,转变温度愈低,锐钛型纳⽶TiO2向⾦红⽯型转变的温度为600℃或低于此温度。
纳⽶TiO2化学性能稳定,常温下⼏乎不与其它化合物反应,不溶于⽔、稀酸,微溶于碱和热硝酸,不与空⽓中CO2、SO2、O2等反应,具有⽣物惰性和热稳定性,⽆毒性[1]。
3. 2光催化性3.2.1光催化原理纳⽶TiO2是⼀种n型半导体材料,禁带宽度较宽,其中锐钛型为3.2eV,⾦红⽯型为3.0eV,当它吸收了波长⼩于或等于387.5nm 的光⼦后,价带中的电⼦就会被激发到导带,形成带负电的⾼活性电⼦e-,同时在价带上产⽣带正电的空⽳h+,吸附在TiO2表⾯的氧俘获电⼦形成?O2-,⽽空⽳则将吸附在TiO2表⾯的OH-和H2O氧化成具有强氧化性的?OH,反应⽣成的原⼦氧、氢氧⾃由基都有很强的化学活性, 氧化降解⼤多数有机污染物,同时空⽳本⾝也可夺取吸附在半导体表⾯的有机物质中的电⼦,使原本不吸收光的物质被直接氧化分解,这两种氧化⽅式可能单独起作⽤也可能同时起作⽤,对于不同的物质两种氧化⽅式参与作⽤的程度有所不同[2]。
CdS修饰TiO2纳米管阵列的制备及光催化性能研究
在紫外光的作用下,利用所制备的 CdS 修饰 TiO2 纳米管阵列对甲基橙溶液进行光催化降 解实验,研究阳极氧化时间、CdS 沉积时间等因素对光催化性能的影响。结果表明,阳极氧化 时间为 1h,CdS 沉积时间为 2000s 时制备出的 TiO2 纳米管阵列光催化效果最佳。
南京航空航天大学 硕士学位论文
CdS修饰TiO<,2>纳米管阵列的制备及光催化性能研究 姓名:薛峰
申请学位级别:硕士 专业:环境工程 指导教师:薛建军 20090301
南京航空航天大学硕士学位论文
摘要
本文通过恒压阳极氧化在纯钛箔表面制备 TiO2 纳米管阵列,研究阳极氧化参数(阳极氧化 电压、时间)对纳米管阵列微观形貌的影响及热处理对 TiO2 纳米管阵列形貌和晶型的影响。
研究甲基橙初始浓度、pH 值、H2O2 加入浓度以及电极重复使用次数对光催化性能的影响, 结果表明,在 30 mg/L 的甲基橙溶液(50ml)中,当 H2O2 加入浓度为 50mg/L,紫外光照射 2h, 溶液为中性时,甲基橙溶液的脱色率接近 100%。当 H2O2 加入浓度增大到 100 mg/L 时,光催 化的效率进一步提高,紫外光照射 1h,甲基橙溶液的脱色率就已趋于 100%,并未发现抑制光 催化的现象。同时还研究 TiO2 纳米管阵列电极的稳定性,实验结果表明,随着 TiO2 纳米管阵 列使用次数的增加,其光催化效率略有下降。
对甲基橙的光催化降解机理和动力学进行研究,结果表明,甲基橙光催化氧化降解反应符 合一级动力学模型,且反应速率常数与初始浓度、溶液的 pH 值以及外加氧化剂等因素有关。
二氧化钛胶粒嵌入超细层状钛酸盐制备金红石型氧化钛纳米纤维(中英文混合版)
Preparation of rutile TiO2 nanofibers by TiO2 solintercalation of ultrafine layered titanate二氧化钛胶粒嵌入超细层状钛酸盐制备金红石型氧化钛纳米纤维Juan Yang(杨娟), Qinqin Liu(刘芹芹), Xiujuan Sun(孙秀娟)江苏大学材料科学与工程学院,江苏镇江,邮编:2120132006五月17日收到;2006年7月23日接受;2006年8月15日开始在线使用AbstractTo prepare TiO2 intercalated tetratitanate, TiO2 solution and ultrafine layered titanate K2Ti4O9 obtained via solid-state reaction by using nanometer-sized TiO2 as raw material were used as guest and host materials respectively. The structure and morphology of the resulting samples were characterized by XRD and TEM experiments. It was found that during the intercalation process, the interlayer distance was expanded step-by-step and the interlayer structure of titanate might be destroyed and degraded to slits by prolonging the solution intercalation time. Rutile TiO2 nanofibers with the average size of 5×50 nm were obtained at room temperature while the duration time was prolonged to 72 h.© 2006 Elsevier B.V. All rights reserved.摘要:为了制备二氧化钛嵌入钛酸盐(tetratitanate)材料,用二氧化钛溶胶和超细层状K2Ti4O9分别作为主体和辅体原料进行固相反应得到纳米二氧化钛。
原位红外光谱法研究CdS-TiO2
在光催化降解过程中( 图 5b) ,反应 前 5 min 光催化剂表面产生大量 CO2,随 着反应时间的延长,3431 cm- 1处的峰强度 不断减弱,表面羟基不断被消耗,1743、 1689、1550 和 1517 cm- 1处的峰逐渐增强, 而反应过程中 CO2的生成量不断减少,表明 由于苯甲醛和苯甲酸等中间产物的不断积累, Cd S-Ti O2光催化剂逐渐失活。
傅里叶变换红外光谱仪为美国 Thermo 公司生产的 NICOLET 6700 型红外光谱仪,检测器 为 MCT/A,原位跟踪扫描次数为 64 次,分辨率为 4 cm- 1,扫描范围 4000 ~ 650 cm- 1。
4.实验步骤
将制备好的CdS-TiO2/ MWCNTs光催化剂与KBr混合均匀,研磨成微米级 粉末,然后经粉末压片机压成直径为13 mm、厚约 0.1 mm的薄片,置于原位 红外反应池中心的催化剂支架上。荧光灯( 20 W)置于石英原位红外池的上 方,距离催化剂支架中心5 cm,整个系统用自制罩子罩住,以消除外界光源 对实验的影响。通干燥空气并以5 ℃•min- 1的升温速率升至 110 ℃,保温 90 min,对光催化剂进行预处理。降温至室温后开始采集背景,然后切换为 含甲苯的混合气,待吸附平衡后,关闭原位红外池的进、出气口,打开荧光 灯进行光催化降解实验。
二.实验内容
1.主要试剂
实验中所使用的试剂分别为钛酸四丁酯( C16H36O4Ti,化学纯) 、硫化钠( Na2S•9H2O, 分析纯) 、硝酸镉( Cd( NO3)2•4H2O,分析纯) 、多壁碳纳米管 ( MWCNTs,外 径: 20 ~ 40 nm) 、无水乙醇( C2H5OH,分析纯) 、硝酸 ( HNO3,分析纯) ,实验用水均为蒸馏水。
CdS-TiO2纳米复合材料在太阳光照射下的光催化性能
甲基橙溶 液的降解 为模型反应 , 考察 了在 太 阳光 照射 下 C d S — T i O : 复合材料 的光催化性 能: 实验结果表 明 , 酸性 条件下 , 以N a 2 S 为硫源 、 采 用一 步溶 剂热法制得的 s l 复合样 品具有最佳 的催化降解 甲基橙 的能力.
[ 关键词 ] 溶剂 热 ; C d S ; T i O : ; 光催化 ; 甲基橙 [ 中图分类号 J 0 6 4 3 . 3 [ 文献标识码 ] A [ 文章编号 ] 1 6 7 1 — 0 1 8 5 ( 2 0 1 4 ) 0 3 一 o 2 6 7 — 0 2
Th e Ph o t o c a t a l y t i c Pr o f o r ma n c e o f Cd S - Ti O2 Co mp o s i t e Na n o ma t e r i a l s Un d e r S u n l i g h t
第2 9 卷 第 3 期
2 0 1 4 年5 月
内蒙古 民族 大学 学报( 自然科学版 )
J o u na r l o f I n n e r Mo n g o l i a Un i v e r s i t y f o r Na t i o n a l i t i e s
直接Z型异质结材料综述
直接Z型异质结材料综述一前言由于化石能源储量有限及其使用中带来的环境污染,开发新的、可再生的清洁能源成为关系人类生存和可持续发展的重大课题。
太阳能是最洁净而又取之不尽的自然能源,光合作用是绿色植物在光照作用下将二氧化碳和水转化为碳水化合物的过程,人类赖以生存的能源和材料都直接和间接地来自光合作用。
人工光合作用 (即模拟自然界中的光合作用)是在光辐照下,利用光催化剂将太阳能转化为氢能(或碳氢燃料),也可以净化环境。
因此,光催化剂有望成为新能源利用和环境净化的关键,为未来能源利用和环境污染处理提供一个可行的突破口,其中Z型光催化材料具有更优秀的氧化还原能力,它的应用代表了当前最前沿的新能源利用和环境净化的发展趋势,展现出广阔的应用前景。
二正文Z型光催化反应体系的机理自然界中,Z型光反应系统是植物光合作用光反应阶段的重要组成部分,由两个光化学反应和一系列的中间酶促氧化还原反应组成。
电子的传递过程如图1所示,首先,叶绿素P680 (PS II)在光照射下成激发态P680*,水分子在叶绿素P680上发生氧化反应生成O2,在细胞色素、蛋白酶等的作用下,电子由P680*转移至叶绿素P700 (PSI)叶绿素P700光照激发后,产生的光生电子最终在酶的作用下与NADP+结合生成还原型辅酶II(NADPH),用以还原CO2合成碳氢氧化合物。
电子的转移过程在图中构成类似英文字母Z的形状,故而称之为Z型。
这个体系首先Bard由在研究了植物的光合作用后于1979年提出。
图1植物光合作用过程中电子的Z型传递示意图光合作用中Z型光反应的产氧和生成NADPH分别发生在两个不同的部位人工Z型光催化剂模仿其特点,构造了PS I与PS II反应体系,有效的避免电子与空穴的快速复合。
在人工Z型光催化体系中,PS I和PS II分别由两光催化剂构成,两半导体之间通过能级结构耦合,光催化性能优于单一组分的光催化剂。
Z型光催化反应材料的分类离子态Z型光催化材料:是较早研究的Z型光催化体系,其反应依靠氧化还原电子介体的电荷传输,常见的氧化还原电子介体有如下几类:Fe3 +/Fe2 +、IO3-离子态Z型光催化反应的电荷传递机理如图2所示。
二氧化钛光催化影响因素
目前主要针对TiO进行增加表面缺陷结构、减小颗粒大小增大比表面、贵金2属表面沉积、过渡金属离子掺杂、半导体复合、表面光敏化、以及改变TiO2形貌和晶型等方法来提高其量子效率以及扩展其光谱响应范围。
研制具有高量子产率,能被太阳光谱中的可见光激发的高效半导体光催化剂,探索适合的光催化剂负载技术,是当前解决光催化技术中难题的重点和热点。
表面缺陷结构通过俘获载流子可以明显压制光生电子与空穴的再结合。
在制备胶体和多晶光催化是和制备化学催化剂一样,一般很难制得理想的半导体晶格。
在制备过程中,无论是半导体表面还是体内都会出现一些不规则结构,这种不规结构和表面电子态密切相关,可是后者在能量上不同于半导体主体能带上的。
这样的电子态就会起到俘获载流子的阱的作用,从而有助于压制电子和空穴的再结合⑺。
颗粒大小与比表面积研究表明,溶液中催化剂粒子颗粒越小,单位质量的粒子数就越多,体系的比表面积大,越有利于光催化反应在表面进行,因而反应速率和效率也越高。
催化剂粒径的尺寸和比表面积的一一对应直接影响着二氧化钛光催化活性的高低。
粒径越小,单位质量的粒子数目越多,比表面积也就越大。
比表面积的大小是决定反应物的吸附量和活性点多少的重要因素。
比表面积越大,吸附反应物的能力就越强,单位面积上的活性点也就越多,发生反应的几率也随之增大,从而提高其光催化活性。
当粒子大小与第一激子的德布罗意半径大小相当,即在1-10 nm 时,量子尺寸效应就会变得明显,成为量子化粒子,导带和价带变成分立的能级,能隙变宽,生成光生电子和空穴能量更高,具有更高的氧化、还原能力,而粒径减小,可以减小电子和空穴的复合几率,提到光产率。
再者,粒径尺寸的量子化使得光生电子和空穴获得更大的迁移速率,并伴随着比表面积的加大,也有利于提高光催化反应效率。
贵金属沉积的影响电中性的并相互分开的贵金属的Fermi能级小于TiO2的费米(Fermi)能级,即贵金属内部与TiO2相应的能级上,电子密度小于口。
背入射Au/TiO2/Au肖特基结紫外探测器
氯化钛 ( C . P .级 ,国药集 团化学试 剂有 限公 司 ) ;v r o( 武汉 格奥科 教仪 器有 限公 司) . S h i ma d u X R D - 6 0 0 0 X射 线 衍射 仪 ( X R D,t 3本 岛 津 公 司 ) ;X L 3 0 E S E M F E G型 扫描 电子 显 微 镜
2 结 果与讨 论
2 . 1 材 料表 征 图 1 ( A) 为T i O 纳米 线 阵 列 的 X R D谱 图 , 通 过 与 标 准 粉 末衍 射 卡 ( J C P D S N o . 2 1 — 1 2 7 6 ) 对 比可 知 , 制得的 T i O 纳米 线 阵列 具有 良好 的金 红 石型 晶体 结 构 , 并 表 现 出明 显 的 [ 0 0 2 ] 择 优
3 5 . 2 n m.
2 . 2 器 件性 能测试
图2 ( A) 和( B ) 分 别为 背入 射 A u / T i O / A u肖特 基结 紫外 探 测器 的结 构示 意 图 和
等效 电路模型 , 通 过光 刻工艺 光刻 出 2个对 称 的电极窗 口 , 利用磁 控溅 射技术 在 窗 口中制 作 A u电极 ,
1 5 m mx 2 m m的 F T O衬底 置于 2 3 mL内衬 聚 四氟 乙烯 的反应 釜 中 , 加入 1 0 m L甲苯作 为溶 剂 , 再 加 入 1 m L钛 酸 四丁酯 、 0 . 2 m L四氯化钛 和 1 m L 3 7 %( 质 量分 数 ) 浓 盐酸 , 将反应 釜置 于 1 8 0℃烘 箱 中 , 反 应5 h后 自然冷 却到 室温 ,得 到垂直 于 F T O衬 底 的 T i O 纳 米线 阵列 .通 过 计算 ,1 mL钛 酸 四丁酯 和 0 . 2 m L四氯 化钛作 为钛 源可 以完全反 应 , 其反应 过程 如下 ¨ :
CdS-TiO2 复合光催化剂可见光下降解黄连素
第32卷㊀第3期2013年㊀㊀3月环㊀境㊀化㊀学ENVIRONMENTAL CHEMISTRY Vol.32,No.3March㊀㊀2013㊀2012年5月3日收稿.㊀∗福建省光催化重点实验室-省部共建国家重点实验室培育基地基金项目资助.㊀∗∗通讯联系人,E-mail:aicuiling@DOI :10.7524/j.issn.0254-6108.2013.03.005CdS-TiO 2复合光催化剂可见光下降解黄连素∗艾翠玲∗∗㊀郭锐敏㊀邵享文(福州大学土木工程学院,福建省光催化重点实验室-省部共建国家重点实验室培育基地,福州,350108)摘㊀要㊀采用沉积法制备CdS-TiO 2复合光催化剂,利用UV-Vis DRS㊁XRD 等方法对其进行表征,并在可见光下对黄连素废水进行处理,考察了催化剂投加量㊁黄连素初始浓度㊁黄连素初始pH 值对黄连素去除率的影响.研究结果表明,在常温下制备的CdS-TiO 2复合光催化剂,对可见光有较好的响应能力;在催化剂投加量1.5g ㊃L -1,黄连素初始浓度80mg ㊃L -1的条件下,催化剂对黄连素的去除效果显著,可达80%以上.pH 对反应的影响不大.该催化剂循环使用3次仍具有较高的光催化活性与化学稳定性.关键词㊀硫化镉,二氧化钛,复合催化剂,可见光,黄连素.黄连素是一种抗生素类药物,分子式为:C 20H 18ClNO 4.黄连素的生产方法主要分为植物提取法和化学合成法.植物提取法是从黄连㊁黄柏的干燥根茎或者树皮中提取而得[1],但由于原材料中黄连素含量十分有限,若满足国内较大的需求量,将不得不大量砍伐原料植物,会对生态造成严重破坏.而在化学合成黄连素的生产过程中,成品母液及冲洗废水中含有高浓度的强抑菌性物质黄连素,属于高浓度有机制药废水,其酸度极高,生物毒性强,水质波动大,国内外对黄连素废水的处理研究并不多见.近年来,黄连素废水主要通过与其它废水混合的方式实现浓度稀释,然后进入生化处理环节,当废水水质水量变化较大时,容易对生化工艺造成毁灭性的危害[2].光催化氧化法作为传统化学法的强化,具有反应条件温和㊁操作简便㊁能耗低㊁无二次污染等优点.利用光生电子-空穴对产生一系列氧化性极强的基团,攻击废水中的有机物,促使大多数生物难降解的大分子有机物氧化成小分子物质,甚至成为二氧化碳和水,并且催化剂本身不会受到抗生素生物毒性的影响.TiO 2是一种理想的光催化剂,其稳定性强㊁催化效率高㊁价格低廉且无毒害作用,但其禁带宽度较高,只能吸收光子能量较高的紫外光.以紫外光作为光催化的光源过于局限,只能利用太阳光中4%的能量,因此通过改性使其能够利用可见光成为研究热点.将禁带宽度不同的两种催化剂复合,可将TiO 2催化剂吸收波长扩展到可见光区域,在充分利用绿色能源的同时,实现电子-空穴对的有效分离,提高催化活性.CdS 是一种对可见光有强烈光电效应的半导体材料,其导带能量高于TiO 2,并且2.42eV 的窄禁带使其对可见光有很好的响应能力.CdS 单独作为催化剂的性能并不理想,其电子-空穴复合能力太强,并且存在因导带光生电子浓度过高而导致的催化剂中毒现象[3].CdS 与稳定性优良但可见光响应率低的TiO 2复合在一起,可弥补各自的缺点[4-6].可见光中低能量的光子照射在CdS 表面,使CdS 价带上的电子吸收能量发生跃迁,由于CdS 的导带能量较高,使得光生电子转移到TiO 2的导带上,并与吸附在TiO 2表面的氧气分子共同作用生成各种氧化基团;CdS 价带上的光生空穴未与电子复合,成为一种氧化性极强的物质,参与到光催化反应中.关于CdS-TiO 2及其负载在不同载体上作为光催化剂在有毒有机污染物降解方面,国内外学者进行了大量的研究[7-12],而目前CdS-TiO 2复合光催化剂用于临床医学中常用的黄连素废水处理的报道尚不多见.本文利用偶联剂将CdS 与TiO 2复合在一起,在常温下,通过简单的沉积处理制备出CdS-TiO 2催化剂.研究此催化剂在可见光下对黄连素的去除效果,探讨可见光催化去除黄连素废水的可行性.㊀3期艾翠玲等:CdS-TiO2复合光催化剂可见光下降解黄连素367㊀1㊀实验部分1.1㊀主要试剂与仪器㊀㊀试剂:P25㊁硝酸镉㊁硫化钠㊁溴化钾㊁2-巯基丙酸㊁无水乙醇㊁蒸馏水㊁黄连素.仪器:自制光反应器(图1),容积为150mL的烧杯状容器;XᶄPert Pro MPD X-射线粉末衍射仪(荷兰飞利浦);Cary500UV-VIS-NIR分光光度计(美国Varian);UV2000UV-VIS分光光度计(Unico上海仪器有限公司);TOC-VCPH型TOC测定仪(日本岛津).光源:采用的驱动光源为500W卤钨灯.1.2㊀催化剂的制备1.2.1㊀CdS-TiO2复合光催化剂的制备取一定量P25,加入到2-巯基丙酸溶液中,反应12h.将反应后的混合悬浊液50ħ烘干10h,加入硝酸镉溶液,继续反应12h,然后离心5min.离心后得到的固体加入硫化钠溶液,鼓风条件下反应12h.再用无水乙醇离心醇洗1次,离心水洗两次,将洗净后潮湿的催化剂粉末放入烘箱中50ħ烘干24h,磨细得到CdS-TiO2复合光催化剂.1.2.2㊀CdS粉末的制备直接沉积法:取0.2mol㊃L-1硝酸镉溶液置于敞口容器中,在搅拌条件下,逐滴加入0.2mol㊃L-1的硫化钠溶液.反应12h后,混合悬浊液置于离心管中,加入无水乙醇离心醇洗1次,离心水洗两次,将洗净后潮湿的催化剂粉末放入烘箱中50ħ烘干24h.将干燥后的催化剂放入玛瑙研钵中研磨,得到CdS.水热法:取0.2mol㊃L-1硝酸镉溶液置于敞口容器中,在搅拌条件下,逐滴加入0.2mol㊃L-1硫化钠溶液.反应2h后,装入高温高压反应釜的聚四氟乙烯内衬,封装完毕后置于200ħ烘箱中加热6h,取出反应釜冷却至室温,移取悬浊液洗涤干燥,得到CdS.1.3㊀黄连素浓度分析测试方法取0.800g黄连素标准品,超声分散溶解于蒸馏水中,磁力搅拌6h,然后转移至1000mL容量瓶中,得到黄连素贮备液800mg㊃L-1.将黄连素贮备液分别稀释成40㊁20㊁10㊁5㊁2.5㊁1.25mg㊃L-1的待测溶液.用紫外-可见分光光度计对黄连素溶液进行全波段光谱扫描,得到黄连素检测的最佳波长340nm,采用1cm石英比色皿,测得不同黄连素浓度下的吸光度.以黄连素浓度为横坐标,测得的吸光度值为纵坐标,建立吸光度与黄连素浓度的标准曲线.实验中黄连素溶液的浓度通过测定其吸光度,从标准曲线上查得黄连素浓度.1.4㊀溶液降解实验用500W卤钨灯作为可见光光源,灯管外套玻璃冷却管,冷却管中以自来水作为冷却介质,由下而上流动吸收灯管因发光放热而产生的热能.玻璃反应器内盛装去除目标物.为使粉末状的催化剂能在溶液中均匀悬浮,反应器下部设置磁力搅拌器.光源与反应器中溶液界面相距10cm,之间设置滤光隔热片,以保证目标物所接受的光处在400 800nm的可见光范围内.所有反应均在室温下进行.可见光光催化反应装置如图1所示.图1㊀可见光光催化反应装置Fig.1㊀Photocatalytic reactor368㊀环㊀㊀境㊀㊀化㊀㊀学32卷2㊀结果与讨论2.1㊀催化剂性能表征2.1.1㊀UV-Vis DRS 分析用UV-Vis DRS 对P25㊁CdS 和CdS-TiO 2复合光催化剂进行分析,结果如图2.由图2可看出,P25的吸收边界约为390nm;CdS 的吸收边界约为520nm,可有效响应可见光;而复合催化剂的吸收边界出现了明显的红移,扩展到550 570nm.当CdS 与TiO 2复合在一起,可见光的照射使得CdS 上的电子发生跃迁,由于CdS 的导带要比TiO 2的导带更低,电子更多地迁移到TiO 2的导带上,光生空穴则留在CdS 的价带上,从而实现电子-空穴对的有效分离,对可见光产生响应.2.1.2㊀XRD 分析对P25以及不同方法制备的CdS 和CdS-TiO 2复合催化剂进行XRD 分析,结果如图3.图谱由上至下分别为P25粉末㊁水热法制备的CdS 粉末(CdS-H)㊁直接沉积法制备的CdS 粉末(CdS-C)和CdS-TiO 2复合催化剂粉末(CdS-TiO 2).图2㊀不同催化剂的紫外-可见漫反射光谱图Fig.2㊀UV-Vis DRS of different catalysts 图3㊀不同催化剂XRD 图Fig.3㊀XRD of different catalysts由图3可看出,2θ角度为29.4ʎ㊁44.2ʎ㊁56.5ʎ㊁63.5ʎ㊁64.9ʎ㊁74.3ʎ的6个特征峰为锐钛矿相TiO 2的(101)㊁(004)㊁(200)㊁(105)㊁(211)㊁(204)晶面衍射峰;2θ角度为32.0ʎ的为金红石矿相的(110)晶面衍射峰.P25中,同时存在锐钛矿和金红石两种矿相.2θ角度为28.9ʎ㊁30.9ʎ㊁32.9ʎ㊁51.2ʎ㊁56.2ʎ㊁61.0ʎ的6个特征峰为六方相CdS 的(100)㊁(002)㊁(101)㊁(110)㊁(103)㊁(112)晶面衍射峰.2θ角度为30.8ʎ㊁51.4ʎ㊁61.2ʎ为立方相CdS 的(111)㊁(220)㊁(311)晶面衍射峰.水热法制备的CdS 为六方相,沉积法制备的CdS 为立方相.复合催化剂以(101)和(111)两个衍射峰最明显,由此认为复合催化剂中的TiO 2主要是锐钛矿相,而CdS 则主要以立方相复合在TiO 2上.2.2㊀CdS-TiO 2复合催化剂在可见光下的活性为了考察CdS-TiO 2复合催化剂在可见光下的活性,实验分别选用CdS㊁P25为对比催化剂.在各组实验中,催化剂投加量选用1g ㊃L -1,黄连素初始浓度选用80mg ㊃L -1,pH 值为7,反应液体积50mL,以催化剂在可见光下对黄连素溶液的去除率作为活性的评价指标.去除结果如图4所示.由图4可看出,P25在可见光下无法去除黄连素,这与其相对较大禁带宽度和没有可见光吸收结果一致.CdS 禁带宽度为2.5eV,较小的禁带宽度使其自身具备一定的可见光催化能力.但CdS 电子-空穴对容易复合,并且容易发生自身的光降解使得催化能力完全丧失[13].图中立方相CdS 在反应前期有着较优越的去除速率(42.2%),但随着导带上陡增的电子无法得到充分转移,催化剂本身发生光降解,在反应中后期几乎没有体现任何活性.对比立方相4h 反应结束后48.1%的去除率,六方相CdS 57.9%的去除量显出小幅优势.有报道[14-15]指出六方相CdS 的催化活性高于立方相.六方相CdS 催化剂本身没㊀3期艾翠玲等:CdS-TiO2复合光催化剂可见光下降解黄连素369㊀有发生明显光降解,这可能与其平缓的氧化速率有关.但因为电子-空穴较强的复合能力,使得其活性不及复合催化剂.由图4还可看出,CdS-TiO2复合催化剂在可见光下的光催化活性明显高于其余三者,4h的去除率达到75.2%.这也说明TiO2确实起到转移电子的作用,使得CdS导带上不会因为过多的积累电子而产生自身光降解,起到维持催化剂可见光下催化活性的作用.为了验证CdS-TiO2复合催化剂是可见光激发而发生的光催化作用,在可见光激发下,对无色小分子2,4-二氯酚(2,4-DCP)进行降解实验.反应条件:2,4-DCP初始浓度20mg㊃L-1,催化剂投加量0.5g㊃L-1,结果如图5所示.图4㊀可见光下不同催化剂的光催化活性Fig.4㊀Activity of different catalystsunder visiblelight 图5㊀可见光下催化剂对2,4-DCP的去除效果Fig.5㊀Effect of the catalyst on the degradation of2,4-DCP under visible light由图5可见,可见光下CdS-TiO2复合催化剂对2,4-DCP的降解率可达到90%,说明CdS-TiO2复合催化剂可见光下对黄连素发生了降解而非光敏化作用.2.3㊀CdS-TiO2投加量对去除率的影响CdS-TiO2催化剂的投加量是影响去除效率的一个主要因素,确定最佳投加量可实现去除效率与经济投资的最佳结合.实验设计以80mg㊃L-1的黄连素作为目标污染物,当pH值为7时,分别投加0.5㊁1.0㊁1.5㊁2.0及2.5g㊃L-1的CdS-TiO2催化剂,反应液体积50mL,在可见光下照射4h,以考察CdS-TiO2在黄连素去除过程中的最佳投加量,实验结果如图6所示.从图6可看出,随着催化剂的投加量增加,黄连素的去除率逐渐增加.这主要是因为增加催化剂投量会使光催化降解的氧化基团生成的概率和数量增多,促使更多的黄连素被氧化降解;增加催化剂投量也会使得催化剂与黄连素的总接触表面积增加,增加黄连素的去除量.当投量为2.5g㊃L-1时,反应进行2h后,可看到去除效果与2.0g㊃L-1的去除效果相差不大,反而有所降低,并且去除速率增量相较其它投加量也趋于平缓.这主要是因为大量的悬浮催化剂粒子会使得光散射作用增加,减少透射进入溶液内的光,使得远离光源部分的催化剂无法接受到光子激励,从而丧失催化效果.对比2.0g㊃L-1及1.5g㊃L-1投加量的去除效果可知,反应前期2.0g㊃L-1投加量的去除效果优于1.5g㊃L-1,但两者最终4h的去除效果则较为接近,分别为91.5%和89.2%.综合考虑经济及效率,1.5g㊃L-1为催化剂的最佳投加量.2.4㊀黄连素溶液初始浓度对去除率的影响污染物初始浓度很大程度上决定光催化降解所需的时间,为了考察初始浓度对去除率的影响,实验选用1.5g㊃L-1作为CdS-TiO2的催化剂投加量,分别光催化处理初始浓度为20㊁40㊁80及160mg㊃L-1的黄连素溶液,黄连素初始pH值为7,反应液体积50mL,光照时间为4h.实验结果如图7所示.由图7可看出,随着初始浓度的增加,黄连素的去除效果逐渐下降,4h的去除率依次是94.5%㊁89.2%㊁79.3%㊁60.8%.初始浓度的增加,使得所需的催化剂接触面积增加,在保持催化剂量不变的情况下,将会表现为去除效果下降.370㊀环㊀㊀境㊀㊀化㊀㊀学32卷图6㊀催化剂投加量对去除率的影响Fig.6㊀The effects of different dosages on removal rate under visiblelight 图7㊀溶液初始浓度对去除率的影响Fig.7㊀The effects of different initial concentrations on removal rate under visible light高浓度黄连素溶液内含有更多的黄连素分子,使得光线穿透溶液的能力下降,造成远离光源部分的催化剂无法接受到光子激励而丧失催化能力.高浓度黄连素溶液也会使催化剂的吸附趋于饱和,催化剂表面活性位被完全占据之后,无法再氧化富余的黄连素分子.吸附也有可能导致游离㊃OH 基团生成量的减少,从而阻碍去除率的提高.研究溶液初始浓度与黄连素去除率的关系是为了确定在反应体系中较适宜的初始浓度,而选择适宜的初始浓度主要考虑到处理工艺的经济效益.初始浓度低,去除率高,但去除污染物的总量低,不能充分发挥催化剂的光催化降解能力.因此本试验选择较适宜的初始浓度为80mg ㊃L -1.2.5㊀黄连素溶液初始pH 对去除率的影响溶液初始pH 会影响催化剂或污染物表面所带的电荷,使得催化剂对污染物的去除能力有所变化.为了考察初始pH 对去除率的影响,实验选用80mg ㊃L -1作为黄连素初始浓度,投加1.5mg ㊃L -1的CdS-TiO 2催化剂,反应液体积50mL,并用0.1mol ㊃L -1的HCl 和0.1mol ㊃L -1的NaOH 作为pH 值调节剂,调节黄连素溶液初始pH 值分别为3㊁5㊁7㊁9㊁11,然后进行4h 的光催化反应.实验结果如图8所示.由图8可看出,4h 反应结束后,pH =3的酸性组,黄连素去除率为76.4%;pH =11的碱性组,去除率达85.0%;其余组相差不大,普遍在80%左右.以4h 反应最终去除效果作为判别依据,可认为pH 对反应的影响不大.但鉴于pH =3酸性组去除速率与其它组别存在差异,仍需进一步对各组别单位时间内的降解速率进行分析,如图9所示.图8㊀pH 对去除率的影响Fig.8㊀Removal efficiency of different initialpH 图9㊀不同pH 下的去除速率Fig.9㊀Removal rate of different pH从图9可看到,反应初始阶段,黄连素的去除速率以碱性环境组为最高,酸性环境组为最低;反应中后期,酸性环境组去除速率占优;偏中性组的去除速率在整个过程中彼此间未见明显差异.㊀3期艾翠玲等:CdS-TiO2复合光催化剂可见光下降解黄连素371㊀反应前期,催化剂对黄连素的吸附量占去除量的一部分,黄连素溶于水后分子表面带正电荷, CdS-TiO2复合光催化剂的等电点约为3[16],当pH大于等电点时,催化剂表面带负电荷,两者在碱性环境下更有利于相互吸附,故前期总去除率上碱性组占优.在低pH条件下,催化剂表面带正电荷,与黄连素分子电荷同性,阻碍分子的吸附,但却有利于光生电子的表面迁移,进而形成各种氧化基团,促进有机物的氧化.而在高pH条件下,㊃OH的生成会受到抑制,将造成后期光催化效果的下降.故后期酸性组催化剂表现出较高的活性.2.6㊀CdS-TiO2复合催化剂对黄连素的降解为了检验复合催化剂对黄连素是降解还是光敏化作用,现对复合催化剂光催化降解黄连素进行实验.实验选用80mg㊃L-1作为黄连素初始浓度,投加1.5g㊃L-1的CdS-TiO2催化剂,溶液pH7,反应液体积50mL,在可见光下照射4h,每0.5h取样一次,测其TOC值.结果如图10所示.图10㊀催化剂对黄连素的降解Fig.10㊀Degradation of the catalyst for the antibiotic berberine由图10可知,CdS-TiO2对黄连素中的TOC有一定降解效果,1h降解时间内,TOC降解率达到58.6%,1h后TOC的去除率趋于稳定,说明CdS-TiO2有将黄连素彻底矿化的能力,能直接将部分黄连素完全降解为无机物.这也进一步说明CdS-TiO2对黄连素存在降解作用,而非光敏化作用.2.7㊀CdS-TiO2复合催化剂的重复利用为满足实际应用的需要,光催化剂不仅要有较高的光催化活性,还必须具备高的光热稳定性,因此实验考察了CdS-TiO2复合催化剂在可见光下去除黄连素循环使用后的活性.以1.5g㊃L-1作为催化剂投加量,80mg㊃L-1作为黄连素溶液初始浓度,黄连素初始pH值为7,进行4h光催化降解,以最终去除率作为当次循环周期的活性评价指标.鉴于黄连素能够溶于热水而微溶于乙醇,每次降解实验结束后用经过加热的去离子水(约60ħ)离心清洗催化剂,重复3次.烘干后在同等条件下再次进行光催化测试.实验结果如图11所示.图11㊀催化剂的重复利用效果Fig.11㊀Effect of the catalyst reuse从图11中可看出,第1个循环周期去除率为80.8%,第2个循环周期的去除率为78.4%,第3个循372㊀环㊀㊀境㊀㊀化㊀㊀学32卷环周期的去除率为76.7%,催化剂的总去除率呈逐渐下降趋势.这可能是水洗过程无法完全去除催化剂表面的黄连素及其中间产物,催化剂表面上的残留物质将增加溶液中有机物的浓度,同时占据催化剂的表面活性位.此外,多次的干燥过程也可能会加剧催化剂的团聚现象,使其比表面积降低,影响降解效果.经过3次循环实验,黄连素的去除率均比较接近.说明CdS-TiO2复合催化剂在反应体系中具有较高的催化活性与化学稳定性.3㊀结论采用简单的沉积法合成了具有可见光活性的复合催化剂CdS-TiO2,对黄连素有较好的去除效果.在常温下制备的CdS-TiO2复合光催化剂,对可见光有较好的响应能力.催化剂投量小于2.0g㊃L-1时,去除率与投加量呈正比;超过该投量去除效果相差不大.1.5g㊃L-1的投量虽然在前2h去除效率不及2.0g㊃L-1,但鉴于4h的效果与之相当,综合经济㊁效果考虑,认为1.5g㊃L-1为最佳投量.初始浓度为80mg㊃L-1的黄连素溶液,最终去除率可达80%以上.该光催化剂对pH适用范围广,碱性环境下有利于黄连素分子吸附,酸性环境下有利催化剂进行氧化降解.经过3次循环试验,CdS-TiO2复合催化剂在反应体系中仍具有较高的催化活性与化学稳定性.参㊀考㊀文㊀献[1]㊀屠鹏飞,贾存勤,张洪全.大孔吸附树脂在中药新药研究和生产中的应用[J].世界科学技术:中医药现代化,2004,6(3):22-28[2]㊀李向东,于洪锋,冯启言.水解-好氧处理制药废水的试验研究[J].工业水处理,2005,25(4):32-34[3]㊀冯光建,刘素文,修志亮,等.可见光响应型TiO2光催化剂的机理研究进展[J].稀有金属材料与工程,2009,38(1):185-188[4]㊀Spanhel Lubomir,Weller Horst,Henglein Arnim.Photochemistry of semiconductor colloids.22.Electron injection from illuminated CdSinto attached TiO2and ZnO particles[J].Journal of the American Chemical 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photocatalytic H2evolution on hexagonal CdS by a simple calcination method undervisible light irradiation[J].Materials Research Bulletin,2011,46(12):2338-2341[15]㊀Yan H J,Yang J H,Ma G J,et al.Visible-light-driven hydrogen production with extremely high quantum efficiency on Pt-PdS/CdSphotocatalyst[J].Journal of Catalysis,2009,266(2):165-168[16]㊀王浩红.反微乳液法制备TiO2/CdS/Fe m O n及其光催化降解亚甲基蓝研究[D].上海:华东师范大学硕士论文,2004㊀3期艾翠玲等:CdS-TiO2复合光催化剂可见光下降解黄连素373㊀Visible light induced photocatalytic degradation of the antibioticberberine with CdS-TiO2in suspensionAI Cuiling∗㊀㊀GUO Ruimin㊀㊀SHAO Xiangwen(Fujian Provincial Key Laboratory of Photocatalysis-State Key Laboratory Breeding Base,College of Civil Engineering,Fuzhou University,Fuzhou,350108,China)ABSTRACTComposite photocatalyst consisting of CdS and TiO2was fabricated in a deposited method.The resulting products were characterized by UV-Vis diffuse reflectance spectroscopy(DRS)and powder X-ray diffraction (XRD).This photocatalyst was studied under visible light irradiation for treating the antibiotic berberine solution.The effects of the dosage of catalyst,the initial concentration of berberine,the initial pH of berberine on the removal rate of berberine were investigated.The results indicated that the photocatalyst,which was produced under normal atmospheric temperature,showed a good respond to visible light.The optimal conditions were found at the dosage of catalyst1.5g㊃L-1when the initial concentration of berberine is 80mg㊃L-1.pH had little effect on the degradation reaction of berberine.The removal rate of berberine could reach80%.The photocatalyst has stronger photocatalytic activity and stability in the third cycle. Keywords:CdS,TiO2,composite catalyst,visible-light respond,berberine.ʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏʏ沃特世ACQUITYʏ超高效聚合物色谱系统五十年前,沃特世(Watersʏ)与陶氏化学公司合作,对化工材料行业进行了彻底的革新,第一次能够使用实验室仪器对聚合物进行分析和表征.这项技术就是我们熟知的凝胶渗透色谱(GPC),它将分析时间从几天大幅度减少到了几个小时.更重要的是,它促进了新型㊁创新的化工材料未来几十年的发展.全球各地的化学实验室都在持续使用沃特世液相色谱㊁凝胶色谱柱和专用的GPC软件以帮助在溶液中表征聚合物.如今,这个传统方法显然已经不再适用于日益复杂的新兴聚合物分析.为了应对这些挑战,也是应广大客户要求,沃特世再一次与陶氏化学公司开展密切合作㊁开发出了全新的解决方案 ACQUITYʏ超高效聚合物色谱(APC TM,Adanced Ploymer Chromatography TM)系统.这是一项基于体积排阻色谱分离基本原理的突破性技术,能为低分子量聚合物提供前所未有的分辨率,且分析速度比传统GPC方法快5到20倍.ACQUITY APC系统包含一个创新的示差检测器,针对低扩散进行了优化,即便在低聚合物浓度时也能达到精确表征所需的低噪音和漂移性能.等度溶剂管理器的精确流速能确保经校准的系统日复一日地持续提供准确分子量数据.系统同时配备新型色谱柱技术,采用3μm以下的刚性大孔径亚乙基桥杂化颗粒,显著提高了稳定性和分离速度.相比在聚合物分析溶剂中容易溶胀的软凝胶色谱柱,这是一个重要突破.借助APC技术,科学家们能在单一系统中运行多个聚合物分析工作,在同类色谱柱上使用多种溶剂;更能在降低溶剂使用量的同时取得比任何GPC系统都快速的可再现结果.。
纳米TiO2光催化材料简介及光催化机理毕业设计
纳米TiO2光催化材料简介及光催化机理毕业设计目录摘要 ................................................... 错误!未定义书签。
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1.文献综述 (1)1.1 纳米TiO光催化材料简介及光催化机理 (1)2光催化材料简介 (1)1.1.1 纳米TiO21.1.2 TiO光催化的基本原理 (1)21.2 提高光催化性能的改性方法及原理 (3)1.2.1 过渡金属元素掺杂 (3)1.2.2 稀土元素掺杂 (4)1.2.3 非金属元素掺杂 (4)制备方法 (5)1.3 掺杂TiO21.3.1 共沉淀法 (5)1.3.2 浸渍法 (6)1.3.3 W/O型微乳液法 (6)1.3.4 固相反应法 (6)1.3.5 溶胶凝胶法溶胶一凝胶法 (7)1.4 金属离子掺杂改性TiO的原理及影响因素 (7)2的光催化机理 (8)1.4.1 金属离子掺杂 TiO21.4.2 金属离子掺杂改性TiO光催化性能的影响因素 (9)21.5 TiO2光催化技术在环境净化方面的应用 (11)1.5.1 水环境有机污染物的去除 (11)1.5.2 空气净化 (12)1.5.3 高效杀菌 (12)1.6 本课题研究的意义及内容 (12)1.6.1本课题研究的意义 (12)1.6.2本课题研究的内容 (13)2 实验方法 (15)2.1 设计及实验流程图 (15)2.2 仪器与试剂 (16)2.2.1 实验仪器 (16)2.2.2 分析测量仪器 (16)2.2.3 化学试剂和原材料 (16)2.2.4 初始化学试剂的配制 (17)2.3 凝胶的制备及条件的选择 (18)2.3.1 TiO凝胶的制备 (18)2凝胶的制备 (19)2.3.2 M/TiO22.4 粉末的制备 (19)2.5 粉末的光催化降解实验方法 (19)2.6 粉末的表征 (20)3.实验结果及讨论 (21)3.1 焙烧温度的影响及优选 (21)3.2 不同金属掺杂的影响及优选 (21)3.3 掺杂量的影响及优选 (22)3.4 不同反应pH的影响及优选 (23)3.5 表征数据的处理及分析 (23)3.5.1 (23)3.5.2 (23)3.5.3 (23)4 结论 (24)5 谢辞 (27)6 参考文献 (26)7.附录 (28)1.文献综述1.1 纳米TiO2光催化材料简介及光催化机理1.1.1 纳米TiO2光催化材料简介自从1972年日本Fujisima和Honda报道了TiO2电极上电解水现象后,半导体光催化引起了国际化学、物理学和材料学等领域科学家的广泛关注。
二氧化钛
一:1:纳米二氧化钛是目前应用最为广泛的一种纳米材料。
它是一种半导体材料,除了具有纳米材料共同的特点外,还具有光催化性能。
近十多年来,随着环境污染日益严重,利用半导体粉末作为光催化剂催化降解有机物的研究已成为热点。
在作为光催化剂的主要原料N 型半导体TiO2、ZnO2、CdS、WO3中,相比较而言, TiO2活性高、化学稳定性好、对人体无害,是理想的环保型光催化剂。
实验表明, TiO2至少可以经历12次的反复使用而保持光分解效率基本不变,连续580分钟光照下保持其活性,因而将其投入实际应用有着广阔的发展前景。
2:纳米二氧化钛的光催化降解机理:当二氧化钛受到波长小于387. 5nm的紫外光的照射时,价带上的电子跃迁到导带,激发电离出电子同时产生正电性的空穴,形成电子-空穴对,与吸附溶解在其表面的氧气和水反应。
分布在表面的空穴将OH -和H2O氧化成HO自由基。
HO 自由基的氧化能力是在水体中存在的氧化剂中最强的,能氧化大部分的有机污染物和无机污染物,而且对反应物几乎无选择性,在光催化氧化中起着决定性的作用。
二氧化钛的表面电子可被溶解在表面的氧俘获形成O2-。
另外表面电子具有高的还原性,可以去除水体中的金属离子。
生成的原子氧和氢氧自由基使有机物被氧化、分解,最终分解为CO2、H2O和无机物。
3:目前的研究现状:尝试对不同微生物的杀灭作用:为了考察TiO2对微生物的作用,根据不同的研究和应用背景,人们选择了细菌、病毒、藻类、癌细胞等。
目前已有报道的考察TiO2光催化作用的细菌类有: 乳杆嗜酸细胞(Lactobacil lus acidophi lus),酵母菌( Saccharomyces cerevisiae), 大肠杆菌( Es-cherichia coli), 链球菌( S treptococcus mutans , S .ratus , S .cricetus , S .sobrinus AHT)。
CdSe量子点敏化纳米TiO2太阳能电池的电化学交流阻抗谱省优质课赛课获奖课件市赛课一等奖课件
与DSSCs 相比, QDSSCs 旳电荷转移电阻相对较小,且向低偏压 方向位移
原因:Rct0 正比于exp[α(Ecb –EF0), 也就是说与化学电容相同, QDSSCs 旳电荷转移电阻向低偏压方向位移
位移旳幅度比化学电容位移幅度小, 原因:纳米TiO2 电极表面吸附半胱胺酸, 减缓了导带电子与氧
• 3)QDSSCs 旳暗态电子寿命和电子扩散长度比DSSCs 旳大, 与纳米TiO2 电极表面吸附半胱胺酸, 在一定程度上克制了 电子复合有关, 表白目前采用CQD 措施制备旳QDSSCs 短路 电流低旳主要原因不是纳米TiO2/电解质界面电子复合, 而 光吸收效率低是其中主要原因之
谢谢!
三 成果与讨论
QDSSCs 与DSSCs 旳总电阻Rtotal(未包括Rd)、 Rseries及Rpt图
与DSSCs相比, QDSSCs旳
串联电阻Rseries相对较大,
这是造成电池填充因子低 旳一种主要原因.
与Rs、Rt 相比, Rpt 对于串
联电阻具有主要贡献, 与 Mora-Seró 等旳分析成果 一致.
膜电极旳化学电容Cfilms由纳米多孔TiO2薄膜化学电容C 和 TCO/电解质旳界面化学电容CTCO. 在高偏压下,Cfilms主要取决于C ,暗态下,C 与外加偏 压Va旳关系为:
当0 < β < 1 时, 表白陷阱态成指数形式分布, 当β = 1 时, 阐明载流子均分布在导带内; Ecb、EF0分 别为纳米TiO2 旳导带边和外加偏压为0 时旳准费米能级
上
30min 450oC
多孔构造旳纳
米TiO2电极 TiO2板
TiO2光电催化文献综述
TiO2光电催化文献综述摘要:TiO2光电催化是一种电化学辅助的光催化反应技术,通过施加外部偏压减少光生电子和空穴的复合,从而提高其量子效率。
本文综述了TiO2光电催化的原理,纳米TiO2薄膜电极的制备方法,讨论了影响光电催化的因素,并提出了存在的问题和将来的发展方向。
关键词:TiO2,光电催化,应用,进展20世纪90年代以来,TiO2多相光催化在环境保护领域内的有机、无机污染物的去除方面取得了较大进展,被认为是一种极具前途的环境污染深度净化技术。
TiO2因其光稳定性高、化学性质稳定、难溶、无毒、成本低、具有高效性,被广泛用于光催化法处理有机或无机废水。
但是由于TiO2的禁带宽度较宽(3.2eV) ,仅能被波长较短的紫外线激发,故使得太阳能的利用率很低。
另外,由于光激发产生的电子与空穴的复合,导致光量子效率很低,为了克服这些缺点,近年来,离子修饰TiO2是提高其光催化活性的一条很好的途径,成为目前光催化技术的研究热点。
但在实际的研究应用中,TiO2光催化存在3个比较明显的问题:(1)光催化剂受光照射后产生的电子空穴对复合概率较大,因而光子利用效率较低,光催化活性不高。
(2)纳米TiO2用于光催化剂时,在既保持高的催化活性又满足特定材料的理化性能要求前提下,难以在不同材料表面均匀且牢固地负载催化剂,使催化剂不易分离。
(3)纳米TiO2只能吸收太阳光中波长小于387nm的紫外线部分, 太阳能利用率低近年来,基于光催化发展起来的光电催化技术有望解决上述问题,已经受到广泛的关注和研究[1]。
光电催化技术以纳米TiO2固定在导电基材上,采用电化学辅助方法,能有效促进TiO2光生电子-空穴对的分离,提高其催化效率,解决催化剂固液分离问题,因而倍受关注。
光电催化技术的研究目前主要集中在具有良好光催化性能的TiO2膜电极的制备、光电催化反应器的设计以及影响催化电解条件的因素等方面。
1 光电催化原理当能量大于或等于TiO2带隙能的光照射时,TiO2吸收光子产生电子-空穴对,经过禁带向来自溶液或气相且吸附在其表面的物种转移电荷。
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LETTERSAll-solid-state Z-scheme in CdS–Au–TiO2 three-component nanojunction system HIROAKI TADA1*,TOMOHIRO MITSUI1,TOMOKAZU KIYONAGA1,TOMOKI AKITA2AND KOJI TANAKA21Department of Applied Chemistry,Faculty of Science and Engineering,Kinki University,3-4-1,Kowakae,Higashi-Osaka,Osaka577-8502,Japan2National Institute of Advanced Industrial Science and Technology,Midorigaoka1-8-31,Ikeda,Osaka563-8577,Japan*e-mail:h-tada@apch.kindai.ac.jpPublished online:10September2006;doi:10.1038/nmat1734N atural photosynthesis,which achieves efficient solar energy conversion through the combined actions of many types of molecules ingeniously arranged in a nanospace,highlights the importance of a technique for site-selective coupling of different materials to realize artificial high-efficiency devices1.In view of increasingly serious energy and environmental problems,semiconductor-based artificial photosynthetic systems consisting of isolated photochemical system1(PS1),PS2and the electron-transfer system have recently been developed2,3.However,the direct coupling of the components is crucial for retarding back reactions to increase the reaction efficiency.Here,we report a simple technique for forming an anisotropic CdS–Au–TiO2nanojunction,in which PS1(CdS),PS2(TiO2)and the electron-transfer system(Au)are spatiallyfixed.This three-component system exhibits a high photocatalytic activity,far exceeding those of the single-and two-component systems,as a result of vectorial electron transfer driven by the two-step excitation of TiO2and CdS.Semiconductors are a key material in modern optoelectronic and photoelectrochemical devices,and unique electronic states resulting from the quantum size effect and high dispersion with downsizing make them even more interesting from the perspective of both fundamentals and potential applications.Recently,the coupling of semiconductors with molecules and other solids on the nanoscale has been reported to improve the performance of various devices,including solar cells4,5,photoluminescence6 and electrochromic devices7and biosensors8.On the other hand,in artificial photosynthetic systems consisting of isolated semiconductor particles and redox mediators(Ox/Red),water splitting to hydrogen and oxygen has recently been shown to proceed via a Z-scheme2,3.However,the Ox and Red mobile in solutions can compete with the reduction in PS1and the oxidation in PS2,respectively,to reduce the reaction effiing a simple photochemical technique,we have been able to construct a site-selective CdS–Au–TiO2nanojunction achieving an all-solid-state Z-scheme.Au particles with a mean size of3.4nm werefirmly deposited on the anatase TiO2{101}surface with an orientation relationship of Au{111} TiO2{101}by the deposition–precipitation method (see Supplementary Information,Fig.S1)9.A high-resolution transmission electron microscopic(HRTEM)image of a sample prepared by irradiation(l ex>320nm)of a de-aerated S8ethanol solution containing Au/TiO2particles in the presence of Cd2+ ions shows that a hemispherical core–shell-type nanoparticle is formed on TiO2(Fig.1a).The lattice spacings of the core and shell, determined to be0.23and0.32nm,respectively,are in agreement with the values for the Au(111)plane(International Centre for Diffraction Data,No.04-0784)and for the hexagonal CdS(101) plane(International Centre for Diffraction Data,No.41-1049).The electron energy-loss spectra(EELS)were obtained by irradiating an electron beam focused on the support and the shell labelled 1and2,respectively,in Fig.1a(Fig.1b).The Ti and O signals are present in spectrum1,whereas the signals of Cd and S are observed in spectrum2.In addition,the molar ratio of Cd/S in the deposits was determined to be about1,irrespective of the irradiation time(t p),by inductively coupled plasma spectroscopy and ion chromatography.Evidently,CdS deposits on the Au surface to yield CdS-coated Au nanocrystals on the TiO2surface (Au@CdS/TiO2).We have recently specified the reduction sites in Au/TiO2-photocatalysed reduction of S8to S2−ions as being the Au surface atoms having a great affinity to sulphur10.Thus,in the presence of Cd2+ions,the S2−ions produced selectively on the Au surface are considered to bond to Cd2+ions to form Au@CdS on TiO2.TEM images of the samples prepared by changing the t p show that all the Au particles are covered with CdS(Fig.1c).The CdS growing rate of4.8nm h−1at t p<0.5h decreases to0.27nm h−1 at0.5<t p<10h(Fig.1d).Electronic absorption spectra of TiO2, Au/TiO2and Au@CdS/TiO2with varying CdS thickness(l)show that Au/TiO2has an absorption peak(l max)at530nm due to the Au surface plasmon resonance with the TiO2interband transition band at l<385nm.The formation of a1.3-nm-thick CdS layer causes significant broadening and a redshift of the Au surface plasmon band of about50nm,which suggest a strong electronic interaction between Au and CdS11.The bandgap of CdS(E g)estimated from the absorption edge is shown as a function of l in Fig.2c:theLETTERSAu{111}= 0.232 nmTiO 2CoreShellCdS{101}= 0.318 nm2l (n m )t p = 0 ht p = 0.5 ht p = 10 ht p = 4 h 20 nm1STi×202CdO5 nm123456100200300400500600684210Energy loss (eV)I n t e n s i t y (a .u .)I n t e n s i t y (a .u .)t p (h)30040050060001abc dFigure 1Geometr i cal structure and compos i t i on of an Au–CdS compos i te nanopart i cle formed on T i O 2,and t i me evolut i on of the CdS shell layer.a ,HRTEM image of Au–CdS/TiO 2.b ,EELS of the support (1,blue line)and shell layer (2,red line)in a .c ,TEM images of Au@CdS/TiO 2prepared by changing t p .d ,Plots of l versus t p .The l values were determined by TEM observation carried out at an acceleration voltage of 300kV.The error bars represent one standard deviation.HRTEM observation and EELS analysis were carried out using a JEOL JEM 3000F electron microscope with a Gatan imaging filter (applied voltage:300kV)and TEM observations were carried out using a JEOL JEM 3010electron microscope (acceleration voltage:300kV).theoretical curve is calculated using the Brus equation for spherical CdS particles with a radius of l (ref.12).At l <4nm,the E g increases relative to the bulk value 13(2.4eV)which is ascribable to the quantum size e ffect of the CdS shell layer because the theoretical curve fits well with the experimental data.To study the e ffects of the CdS–Au–TiO 2nanojunction on the photocatalytic activity,methylviologen (MV 2+)reduction was used as a test reaction,in which sol–gel TiO 2films 14(TiO 2-TF)were used as a support in place of TiO 2particles (Fig.3a).Both Au/TiO 2-TF and CdS (about 5nm)/TiO 2-TF show higher photocatalytic activities than TiO 2-TF;these probably arise from the increase in the charge-separation e fficiency due to the electron transfer from TiO 2to Au with a large work function 15and from CdS to TiO 2with a conduction band (cb)edgelying lower than that of CdS 16,respectively.The photocatalytic activity of Au@CdS/TiO 2-TF far exceeds that of either the single-component (1C)or 2C systems.In addition,the MV +yield in the photostationary state for Au@CdS/TiO 2-TF reaches 52.2%,which is larger than that achieved in the 1C and 2C systems:the di fference in the CdS morphology between CdS/TiO 2and Au@CdS/TiO 2might make the activity comparison di fficult;however,CdS (about 5nm)/TiO 2coupled using mercaptoacetic acid (MAA)showed a photocatalytic activity higher than those of CdS and TiO 2(ref.17).These findings are indicative of the progress of MV 2+reduction by the electrons excited to the cb(CdS)with a high potential in Au@CdS/TiO 2,whereas the cb(TiO 2)electrons reduce MV 2+in the 2C system 16.The MV +yield for Au@CdS/TiO 2-TF as a function of l indicates that the photocatalytic activity of Au@CdS/TiO 2reachesLETTERS23456E g (e V )350400450500550600650A b s o r b a n c eA b s o r b a n c e0.1Au@CdS (l = 1.3 nm)/TiO 2l = 3.8 nml = 4.1 nm l = 5.2 nm l = 2.6 nm l = 2.4 nmex > 300 nm0.05Beforeirradiationex > 400 nmd A / d λl (nm)λ(nm)λλ(nm)λλ(nm)λAu/TiO 2TiO 2–0.05–0.03–0.010.010.030.05300400500600700800abcd2.32.42.52.62.72.82.93.0650550λλFigure 2Optical properties of Au@CdS/TiO 2.a ,Electronic absorption spectra of Au@CdS/TiO 2with varying l .b ,Change in electronic absorption spectra of Au@CdS/TiO 2with irradiation.c ,Size dependence of the E g (CdS):the curve is calculated by the Brus equation of E g =E g (bulk)+(¯h 2π2/2l 2)(1/m ∗2e+1/m ∗2h )−1.8e 2/εl using the values of m ∗e =0.21m 0,m ∗h =0.8m 0and ε(CdS)=8.45.The error bars represent one standard deviation.d ,Derivative spectra of b .a maximum at l ∼3nm (Fig.3b).This probably results from the balance of the increase in the cb-electrons(CdS)potential due to the quantum size e ffect (Fig.2c)and the decrease in light absorption.The l max of metal nanoparticles is related to electron density (n )by l max =4πc (2ε0m /e 2n )1/2(ref.18),where ε0is the vacuum permittivity,e and m are the charge and mass of the electron,respectively,and c is the speed of light.Thus,the Au nanoparticles can be regarded as a sensor for electron transfer in the 3C system.The electronic absorption spectra of Au@CdS/TiO 2before and after ultraviolet (l ex >300nm)and visible light (l ex >400nm)irradiation in de-aerated ethanol show that the l max redshifts by 24nm after visible light irradiation,whereas it blueshifts by 20nm after ultraviolet light irradiation (Fig.2b,d).A similar trend was also observed in water,although the amounts of the shift decreased (see Supplementary Information,Table S1).The influence of semiconductor charging during the reaction on the Au surface plasmon resonance might be excluded in these ex situ optical measurements.The essential reaction scheme can be discussed on the basis of the energy band diagram of the 3C system (Fig.4).For l ex >400nm irradiation,the cb-electrons(CdS)would be used for MV 2+reduction rather than transferred to Au becauseof the increase in their surface population due to the CdS size quantization 19;the injection of the holes left in the CdS valence band (vb)into Au reduces n ,explaining the redshift of l max (electron transfer I ,Au →CdS).For l ex >300nm,the vb-holes(TiO 2)with a strong oxidation power oxidize the solvent,and the electrons left in the cb(TiO 2)flow into Au,which increases n to cause the blueshift of l max (electron transfer II,TiO 2→Au).Thus,simultaneous electron transfer I and II (that is,vectorial electron transfer of TiO 2→Au →CdS)should occur as a result of excitation of both TiO 2and CdS under the conditions in MV 2+reduction.Furthermore,to specify the reduction sites of Au@CdS/TiO 2,Pt photodeposition was carried out by irradiating visible and ultraviolet light in the 3C system.If the electron transfer from CdS to TiO 2rapidly takes place through their contact with Au@CdS/TiO 2,Pt should be photodeposited on TiO 2.However,annular dark-field scanning TEM images and EELS of the Pt-photodeposited Au@CdS/TiO 2(Pt/Au@CdS/TiO 2)have demonstrated that Pt is deposited almost selectively on CdS under both conditions (see Supplementary Information,Fig.S2).This finding that CdS acts as the reduction sites of Au@CdS/TiO 2indicates that the back electron transfer from CdS to TiO 2is a minor path,strongly supporting the vectorial electron transferLETTERSAu@CdS(l = 2.96 nm)/TiO 2Au/TiO 2CdS/TiO 2TiO 2M V + (10–4 M )t p (min)l (nm)0204060801000.51.01.52.02.5021345630405060Y i e l d o f M V +(%)2070abFigure 3Photocatalytic activity of Au@CdS/TiO 2.a ,Time courses forphotocatalytic reduction of MV 2+.b ,Dependence of the MV +yield after 100-min irradiation on l .The error bars represent one standard deviation.in the 3C system:although the TiO 2–CdS contact area increases with the growth of CdS,the ratio of the contact area to the CdS surface area never exceeds 50%for hemispherical CdS and Au particles.This Z-scheme simultaneously generates vb-holes(TiO 2)with a strong oxidation power and cb-electrons(CdS)with a strong reduction power,which explains the high photocatalytic activity and high yield for MV 2+reduction.The photocatalytic activity of Pt/Au@CdS/TiO 2for H 2generation from H 2O was studied further (see Supplementary Information,Fig.S3).Although no H 2was detected in the Pt/CdS system,Pt/Au@CdS/TiO 2yielded H 2with an almost constant rate.These results can also be interpreted within the framework of the Z-scheme 20(that is,the electron supply from TiO 2to CdS via Au restricts the self-decomposition of CdS due to the oxidation of surface S 2−ions by the vb-holes(CdS)).The photoinduced reductive desorption of sulphur can occur for semiconductors with a cb edge greater than −4.6eV versus vacuum 21.In addition,anion-doped TiO 2,of which the vb edge is raised with the cb edge almost maintained,was shown to exhibit photocatalytic activities under visible light irradiation 22.Owing to the versatility,rational coupling of the components and their dimensional control will enable the development of our prototypeCdSAucbvb ex > 400 nmVacuum level (eV)TiO 2cbvbex > 300 nmvb–3–4–5–6–7Red 1OxidationReduction h +e –e –Ox 1D Ox2D Red 2E 0(R/O)h +λλλλFigure 4Energy band diagram scheme of the CdS–Au–TiO 2system.E 0(R/O)is the standard electrode potential of MV +/MV 2+.D Red 2and D Ox 2represent thedistribution function for occupied and unoccupied states,respectively,and l is the reorganization energy.of an all-solid-state Z-scheme for visible-light-induced e fficient artificial photosynthetic systems.METHODSSAMPLE PREPARATIONTiO 2particles (anatase,surface area =8.1m 2g −1)were used as a support.The pH of a 4.86×10−3M aqueous solution (100ml)of HAuCl 4·4H 2O was adjusted to 6.0with a 1mol dm −3NaOH aqueous solution.The solution turned from yellow to lighter yellow,accompanied by ligand exchange from [AuCl 4]−to [Au (OH )4−x Cl x ]−.To this solution,10g of TiO 2particles were added and magnetically stirred at 343K for 1h.The particles were washed with distilled water three times,and then heated at 673K for 4h in air(Au (0.33mass%)/TiO 2).After an Au/TiO 2(1g)ethanol suspension (250ml)containing S 8(0.344mmol)and Cd (ClO 4)2·6H 2O (3.46mmol)had been bubbled with argon for 30min in the dark,irradiation was carried out for a given period with a high-pressure mercury lamp at 298K;the light intensity integrated from 320to 400nm (I 320−400)was 3.7mW cm −2.CdS/TiO 2-TF was prepared using MAA as a bifunctional coupling agent.A Cd (ClO 4)2·6H 2O aqueous solution (1.0mmol dm −3,50ml)and a Na 2S ·9H 2O aqueous solution (1.0mmol dm −3,50ml)containing MAA (1.0mmol dm −3)were mixed,and stirred for 10min.After TiO 2film-coated glass substrates had been immersed in the suspension of MAA-capped CdS nanoparticles (about 5nm)with stirring for 18h,the sample was washed with distilled water and dried.The loading with Pt on Au@CdS/TiO 2and CdS was carried out byphotoplatinization.After Au@CdS/TiO 2(or CdS)particles (0.2g)had been dispersed into a 1.93mmol dm −3aqueous H 2PtCl 6solution and de-aerated with Ar for 60min,the dispersion was illuminated by a 500W Xe lamp through a 430nm cuto fffilter (l ex >400nm,I 420−485=3.7mW cm −2)or a 300–400nm bandpath filter (300<l ex <400nm,I 320−400=4.0mW cm −2)for 6h at 298K.The solids (Pt/Au@CdS/TiO 2or Pt/CdS)were repeatedly washed with ethanol and dried under vacuum.OPTICAL MEASUREMENTSAfter suspensions of Au@CdS/TiO 2particles (0.2g)in ethanol or water (50ml)were irradiated (l ex >400nm or l ex >300nm)for 4h,the solvent was removed by evaporation,and the solids were further dried in a vacuum desiccator for 0.5h.The di ffuse reflectance spectra of the Au@CdS/TiO 2particles were recorded on a Hitachi U-4000spectrophotometer equipped with an integrating sphere to be transformed into the absorption spectra.PHOTOCATALYTIC ACTIVITY TESTMV +is easily oxidized by oxygen in air,and thus the reactions were carried out in a closed reaction vessel with an optical cell using a sol–gel TiO 2film as aLETTERSsupport in place of TiO2particles,which enabled optical measurements to determine the MV+concentrations(εat605nm=1.1×104mol−1dm3cm−1) without opening the system.As the l value for the thin-film system could not be determined by electron microscopy,the corresponding value for the particulate system under the same conditions is shown.After Au@CdS/TiO2-TF samples (8mm×40mm)had been immersed in a0.4mM MV2+ethanol solution followed by de-aeration with argon bubbling for1h,irradiation was carried out using a500W Xe lamp under I320−400=8.0mW cm−2at305K.As another test reaction,photocatalytic H2generation from water was examined forPt/Au@CdS/TiO2or Pt/CdS.After the photocatalyst(0.02g)had been dispersed in water(20ml)and de-aerated with Ar for15min,the suspension was irradiated by a500W Xe lamp through a300–400nm bandpathfilter (300<l ex<400nm,I320−400=4.0mW cm−2).The reaction temperature was kept at298or323K by circulating thermostatted water through an outer jacket around the reaction cell.The H2that evolved under illumination was analysed by gas chromatography(Shimadzu GC-8A);tcd column SHINCARBON ST, carrier gas was Ar,both the injection and column temperatures were323K.Received26April2006;accepted2August2006;published10September2006. References1.Mokari,T.,Rothenberg,E.,Popov,I.,Costi,R.&Banin,U.Selective growth of metal tips ontosemiconductor quantum rods and tetrapods.Science304,1787–1790(2004).2.Sayama,K.,Mukasa,K.,Abe,R.,Abe,Y.&Arakawa,H.Stoichiometric water splitting into H2and O2using a mixture of two different photocatalysts and an IO−3/I−shuttle redox mediator under visiblelight mun.2416–2417(2001).3.Kato,H.,Hori,M.,Konta,R.,Shimodaira,Y.&Kudo,A.Construction of Z-scheme typeheterogeneous photocatalysis systems for water splitting into H2and O2under visible lightirradiation.Chem.Lett.33,1348–1349(2004).4.Gr¨a ztel,M.Photoelectrochemical cells.Nature414,338–344(2001).5.Gur,I.,Fromer,N.A.,Geier,M.L.&Alivisatos,A.P.Air-stable all-inorganic nanocrystal solar cellsprocessed from solution.Science310,462–465(2005).6.Steckel,J.S.et al.Blue luminescence from(CdS)ZnS core-shell nanocrystals.Angew.Chem.Int.Edn43,2154–2158(2004).7.Ohko,Y.et al.Multicolour photochromism of TiO2films loaded with silver nanoparticles.NatureMater.2,29–31(2003).8.Xu,J.,Zhao,W.,Luo,X.&Chen,H.A sensitive biosensor for lactate based on layer-by-layerassembling MnO2nanoparticles and lactate oxidase on ion-sensitivefield-effect transistors.Chem.Commun.792–794(2005).9.Tsubata,S.,Haruta,M.,Kobayashi,T.,Ueda,A.&Nakahara,Y.Preparation of Catalysts V695–704(Elsevier,Amsterdam,1991).10.Kiyonaga,T.et al.Ultrafast photosynthetic reduction of elemental sulfur by Au nanoparticle-loadedTiO2.J.Phys.Chem.B110,10771–10778(2006).11.Honma,I.,Sano,T.&Komiyama,H.Surface-enhanced Raman scattering(SERS)for semiconductormicrocrystallites observed in silver-cadmium sulfide hybrid particles.J.Phys.Chem.97,6692–6695(1993).12.Brus,L.E.Electron-electron and electron-hole interactions in small semiconductor crystallites:Thesize dependence of the lowest excited electronic state.J.Chem.Phys.80,4403–4409(1984).13.Weller,H.Colloidal semiconductor Q-particles:Chemistry in the transition region between solidstate and molecules.Angew.Chem.Int.Edn32,41–53(1993).14.Hattori,A.&Tada,H.High photocatalytic activity of F-doped TiO2film on glass.J.Sol–Gel Sci.Technol.22,47–52(2001).15.Tada,H.et al.Au-core/Pt-shell bimetallic cluster-loaded TiO2.1.adsorption of organosulfurcompound.J.Phys.Chem.B106,8714–8720(2002).16.Spanhel,L.,Weller,H.&Henglein,A.Photochemistry of semiconductor colloids.22.Electroninjection from illuminated CdS into attached TiO2and ZnO particles.J.Am.Chem.Soc.109,6632–6635(1987).17.Hirai,T.,Suzuki,K.&Komasawa,I.Preparation and photocatalytic activities of composite CdSnanoparticles-titanium dioxide particles.J.Colloid Interface Sci.244,262–265(2001).18.Kittel,C.Introduction to Solid State Physics7th edn,302(Wiley,New Y ork,1996).19.Nosaka,Y.Finite depth spherical well model for excited states of ultrasmall semiconductor particles:an application.J.Phys.Chem.95,5054–5058(1991).20.Kalyanasundaram,K.,Borgarello,E.&Gr¨a tzel,M.Visible light induced water cleavage in CdSdispersions loaded with Pt and RuO2,hole scavenging by RuO2.Helv.Chim.Acta64,362–366(1981).21.Tada,H.,Soejima,T.,Ito,S.&Kobayashi,H.Photoinduced desorption of sulfur from goldnanoparticles loaded on metal oxide surfaces.J.Am.Chem.Soc.126,15952–15953(2004).22.Asahi,R.,Morikawa,T.,Ohwaki,T.,Aoki,K.&Taga,Y.Visible-light photocatalysis innitrogen-doped titanium oxides.Science293,269–271(2001).AcknowledgementsH.T.thanks T.Kawahara for discussions throughout this work.This work was partially supported by a Grant-in-Aid for Scientific Research(C)No.16550169from the Ministry of Education,Science,Sport, and Culture,Japan.Correspondence and requests for materials should be addressed to H.T.Supplementary Information accompanies this paper on /naturematerials.Author contributionsH.T.:project planning,data analysis.T.M.and T.K.:experimental work(electronic absorption spectra, TEM and photocatalytic reactions).T.A.and K.T.:experimental work(HRTEM and EELS). Competingfinancial interestsThe authors declare that they have no competingfinancial interests.Reprints and permission information is available online at /reprintsandpermissions/Figure S1 HRTEM image of an Au nanoparticle loaded on TiO2.Fig. 1S H. Tada et al.Figure S2 HRTEM and ADF-STEM images, and EELS of Pt/Au@CdS/TiO 2 particles prepared by Vis-light ( ex > 400 nm) and UV-light (300 < ex < 400 nm) irradiation. a , HRTEM image, b , ADF-STEM image, c , EELS for the sample prepared by Vis-light irradiation. d , HRTEM image, e , ADF-STEM image, f , EELS for the sample prepared by UV-light irradiation.a d 051015Energy [ keV ]e51015Energy [ keV ]cb fFig. 2S H. Tada et al.Figure S3048121620p H 2 / n m o LFig. 3S H. Tada et al.Table S1 Au surface plasmon resonance of Au@CdS/TiO2 in H2O and C2H5OHsolvent conditions t p / hmax/ nmafter irradiationmax/ nmex> 300 nmI320-400 = 8.0 mW cm-24578 (± 2)- 14 (± 2) H2Oex> 400 nmI420-485 = 8.0 mW cm-24601 (± 1)+ 8 (± 1) ex> 300 nmI320-400 = 8.0 mW cm-24572 (± 3)- 20 (± 3) C2H5OHex> 400 nmI420-485 = 8.0 mW cm-24616 (± 4)+ 24(± 4)。