李力成
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石康中
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涂睿
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钱祺
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李东
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杨祝红
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陆小华
催化学报
doi:10.1016/S1872-2067(15)60946-9
高效TiO2基光催化材料的开发一直是催化领域的研究热点，主要的策略是如何有效地分离光生载流子.制备多晶相的TiO2材料可引入异质/相结结构使电子与空穴朝不同方向移动，从而避免电子与空穴复合；另外，在TiO2中掺杂其他金属或非金属也可以有效地降低电子与空穴的复合率，掺杂的元素作为电子捕获阱俘获光生电子，以实现电子空穴的有效分离.近些年，作为一种全新的掺杂剂，氧空穴可以有效改善TiO2的光催化活性，所制TiO2具有可见光的全光谱吸收能力，因此该类TiO2呈现出黑色.通过上述方法均可以制备出高活性TiO2基光催化材料，如果能够将这些方法耦合一起，则可能制备出活性更高的光催化剂.因此，本文将异相结结构和空穴掺杂耦合起来，用多孔钛酸盐衍生物在H2中高温焙烧制得一种全新的黑色TiO2(B)/锐钛矿双晶TiO2–x纳米纤维.不同于其他TiO2基光催化材料，该样品仅由Ti和O元素组成，通过Ti和O元素的组合，形成了双晶结构和空穴掺杂两种特殊的结构，借助场发射(FESEM)、拉曼光谱(Raman)、氮气物理吸脱附、X射线光电子能谱(XPS)、热重(TG)、紫外可见漫反射光谱(UV-Vis)和荧光光谱(PL)等表征分析了样品的结构及其光催化性能间构效关系. FESEM结果显示，黑色TiO2(B)/锐钛矿双晶TiO2–x为长1–5mm、宽0.2mm的纤维结构， Raman结果表明，锐钛矿相在特征波段(140 cm–1左右)和TiO2(B)的特征波段(220–260 cm–1)均发生蓝移，说明该两相中均存在氧空穴；该样表面未检测到Ti3+，因此氧空穴可能分散在TiO2(B)和锐钛矿相的体相中.根据黑色TiO2(B)/锐钛矿双晶TiO2–x和白色TiO2(B)/锐钛矿双晶TiO2的失重差，估算出前者的O/Ti原子比为1.97.光催化降解甲基橙实验结果显示，黑色TiO2(B)/锐钛矿双晶TiO2–x的光催化活性是白色双晶TiO2的4.2倍，锐钛矿TiO2的10.5倍，且连续反应10次后未出现失活现象，显示出了良好的光催化稳定性.前期，我们已经证明了白色TiO2(B)/锐钛矿双晶TiO2由于具有TiO2(B)和锐钛矿的异相结结构，致使其电子空穴有效地分离，从而表现出优异的光催化活性；本文的PL结果显示，由于氧空穴的引入，异相结与氧空穴两者共同作用，进一步促进了黑色TiO2(B)/锐钛矿双晶TiO2–x电子与空穴的有效分离，因此黑色TiO2(B)/锐钛矿双晶TiO2–x表现出高的光催化活性.由于其特殊的结构，黑色TiO2(B)/锐钛矿双晶TiO2–x纳米纤维将在环境与能源领域表现出良好的应用前景.
关键词:
黑色氧化钛
,
双晶
,
光催化
,
氧空穴
