论文部分内容阅读
光催化被认为是目前解决能源及环境问题的有效途径之一。在诸多半导体材料中,二氧化钛具有稳定性好、氧化还原能力强、耐腐蚀性、无毒和价格低廉等性质被认为是最具应用前景的光催化材料。在二氧化钛四种常见晶型中,Ti02(B)因其独特的晶体结构,被应用于光催化、电催化和锂离子电池中。但其较低的结晶度及无可见光响应问题都限制了该材料在光催化领域中应用。针对以上问题,本文探索了高温下较高结晶度TiO2(B)/锐钛矿材料的合成,提高电子空穴分离效率,此外通过离子共掺杂技术实现TiO2(B)在可见光下的响应。具体工作如下:].Ti02(B)作为二氧化钛的一种亚稳态相结构,在高温情况下易转变成较稳定的锐钛矿相或者金红石相,低温下容易形成较低结晶度化的Ti02(B)。由于存在以上所说的弊端,Ti02(B)在光催化领域的应用方向受到极大地限制。在我们这项研究中,发现适量的HF可以抑制Ti02(B)向锐钛矿的相变过程。X射线衍射图谱(XRD)和拉曼光谱显示,当煅烧前加入0.3wt%HF时,即使在750℃下也能保持大量Ti02(B),而不含HF的样品或HF过量的样品只能获得锐钛矿相。扫描电镜、透射电镜及高分辨透射电镜结果显示,添加0.3wt%HF的样品中具有明显的Ti02(B)和锐钛矿的异相结结构,该样品在光催化降解罗丹明B及产氢反应中均表现出最高活性。同时,X射线光电子能谱(XPS)测试结果表明氟元素只是吸附在二氧化钛上,并未与之形成稳定化学键。而加入氢氟酸导致的相结构改变是产生较高活性的关键所在。最终,我们通过DFT计算揭示了相变机理,结果表明,吸附在Ti02(B)表面的F阴离子可以有效地将表面能从最初清洁表面的0.63 J/m2降低到-0.22 J/m2。因此,表面能的降低延迟Ti02(B)的相变过程,最终促进了高温下Ti02(B)/锐钛矿异相结材料的制备。2.TiO2的应用在某种程度上受到其禁带宽度(3.2 eV)的限制,其电子空穴对的产生需要紫外光照射才能完成。然而,与占比45%的可见光相比,紫外光只占太阳能量的一小部分(约5%),若Ti02的光学响应从紫外光拓展至可见光谱范围,将对材料的实际应用产生深远的影响。N掺杂被认为是提升Ti02可见光响应的有效手段,然而高温下N掺杂将破坏Ti02(B)原有的松散结构,并使N元素不能很好地进入材料体相。我们在之前工作的基础上在N掺杂之前引入适量HF,既能在高温下保持Ti02(B)结构,又能一定程度上对其进行刻蚀,从而促进N元素更均匀有效的进入Ti02(B)。研究表明,N的加入可以有效提升光催化剂的可见光响应,同时当N、F元素共存时,其光催化活性较单独元素存在时有明显提高,表明掺杂过程中不同元素对催化剂结构及性能提升具有显著协同作用。