拓扑相变制备具有拓宽可见光响应范围的Ti3+自掺杂3D空盒状TiO2
TiO2广泛用作半导体光催化材料, 但由于自身对光利用率低(只吸收紫外光)、禁带宽度较大、光生载流子复合率极高, 限制了它在相关领域的应用. 为此, 设计了Ti3+离子自掺杂来克服TiO2半导体材料的上述缺点, 进而提高其光催化活性. 在不引入其他元素的情况下, 以TiOF2为原料, Zn粉为还原剂, 在水热条件下采用拓扑相变法原位制备了具有可见光响应的Ti3+自掺杂空盒状TiO2(记为Ti3+/TiO2)催化剂材料. 掺杂金属离子可以改变半导体TiO2的结晶度和产生晶格缺陷, 形成电子或空穴的捕获中心, 影响电子-空穴对的复合; 同时, 掺杂金属离子产生的晶格缺陷有利于Ti3+和氧空位的形成...
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Published in | 催化学报 Vol. 39; no. 8; pp. 1373 - 1383 |
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Main Authors | , , , , , |
Format | Journal Article |
Language | Chinese |
Published |
中南民族大学催化材料科学国家民委-教育部重点实验室,湖北武汉,430074%武汉科技大学化学化工学院,湖北武汉,430081
2018
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Abstract | TiO2广泛用作半导体光催化材料, 但由于自身对光利用率低(只吸收紫外光)、禁带宽度较大、光生载流子复合率极高, 限制了它在相关领域的应用. 为此, 设计了Ti3+离子自掺杂来克服TiO2半导体材料的上述缺点, 进而提高其光催化活性. 在不引入其他元素的情况下, 以TiOF2为原料, Zn粉为还原剂, 在水热条件下采用拓扑相变法原位制备了具有可见光响应的Ti3+自掺杂空盒状TiO2(记为Ti3+/TiO2)催化剂材料. 掺杂金属离子可以改变半导体TiO2的结晶度和产生晶格缺陷, 形成电子或空穴的捕获中心, 影响电子-空穴对的复合; 同时, 掺杂金属离子产生的晶格缺陷有利于Ti3+和氧空位的形成, 有利于提高TiO2的量子效率. Ti3+掺杂是一种既清洁又未引入其他金属离子的掺杂改性方法, 它能有效保持催化剂的结构和形貌不受其他金属离子的影响. 总之, 金属离子掺杂有效拓展了TiO2的光吸收范围, 并极大地提高了TiO2的光催化活性.本文研究了不同量的还原剂对催化剂空盒状TiO2结构形貌影响, 以及在可见光下光催化降解罗丹明B反应性能, 发现Ti3+/TiO2催化剂均拥有非常好的光催化活性, 其中R0.25催化剂在可见光下120 min, RhB降解率达到96%, 是TiO2的4倍多. 且可循环使用5次的光催化循环降解实验后, 表现出较高的稳定性. 催化剂经过Ti3+自掺杂后, 对催化剂自身的空盒状结构形貌并无很大的影响, 随着还原剂Zn粉的量增加, Ti4+还原形成Ti3+数量增加, 导致形成更多的氧空位. 皆为锐钛矿型TiO2,与未掺杂Ti3+的TiO2比较发现, 自掺杂Ti3+的TiO2的(105)XRD衍射峰越来越尖锐, (004)衍射峰越来越宽. 随着还原剂Zn粉质量的逐渐增加, 催化剂的光响应范围拓宽到可见光区, 且逐渐增强. 这说明Ti3+的掺杂不仅提高了TiO2在可见光的响应能力, 也提高了TiO2在紫外光范围的响应能力. 另外, 掺杂后的TiO2禁带宽度的减小, 使其价带上的电子更容易被可见光激发, 产生更多的电子-空穴对参与光催化反应, 从而提高TiO2的光催化效率. |
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AbstractList | TiO2广泛用作半导体光催化材料, 但由于自身对光利用率低(只吸收紫外光)、禁带宽度较大、光生载流子复合率极高, 限制了它在相关领域的应用. 为此, 设计了Ti3+离子自掺杂来克服TiO2半导体材料的上述缺点, 进而提高其光催化活性. 在不引入其他元素的情况下, 以TiOF2为原料, Zn粉为还原剂, 在水热条件下采用拓扑相变法原位制备了具有可见光响应的Ti3+自掺杂空盒状TiO2(记为Ti3+/TiO2)催化剂材料. 掺杂金属离子可以改变半导体TiO2的结晶度和产生晶格缺陷, 形成电子或空穴的捕获中心, 影响电子-空穴对的复合; 同时, 掺杂金属离子产生的晶格缺陷有利于Ti3+和氧空位的形成, 有利于提高TiO2的量子效率. Ti3+掺杂是一种既清洁又未引入其他金属离子的掺杂改性方法, 它能有效保持催化剂的结构和形貌不受其他金属离子的影响. 总之, 金属离子掺杂有效拓展了TiO2的光吸收范围, 并极大地提高了TiO2的光催化活性.本文研究了不同量的还原剂对催化剂空盒状TiO2结构形貌影响, 以及在可见光下光催化降解罗丹明B反应性能, 发现Ti3+/TiO2催化剂均拥有非常好的光催化活性, 其中R0.25催化剂在可见光下120 min, RhB降解率达到96%, 是TiO2的4倍多. 且可循环使用5次的光催化循环降解实验后, 表现出较高的稳定性. 催化剂经过Ti3+自掺杂后, 对催化剂自身的空盒状结构形貌并无很大的影响, 随着还原剂Zn粉的量增加, Ti4+还原形成Ti3+数量增加, 导致形成更多的氧空位. 皆为锐钛矿型TiO2,与未掺杂Ti3+的TiO2比较发现, 自掺杂Ti3+的TiO2的(105)XRD衍射峰越来越尖锐, (004)衍射峰越来越宽. 随着还原剂Zn粉质量的逐渐增加, 催化剂的光响应范围拓宽到可见光区, 且逐渐增强. 这说明Ti3+的掺杂不仅提高了TiO2在可见光的响应能力, 也提高了TiO2在紫外光范围的响应能力. 另外, 掺杂后的TiO2禁带宽度的减小, 使其价带上的电子更容易被可见光激发, 产生更多的电子-空穴对参与光催化反应, 从而提高TiO2的光催化效率. |
Abstract_FL | Ti3+self-doped anatase three-dimensional (3D) TiO2 hollow nanoboxes were synthesized via a top-ological transformation process involving template participation by a facile one-pot hydrothermal treatment with an ethanol solution of zinc powder and TiOF2. It is worth noting that the 3D TiO2 hollow nanoboxes are assembled from six single-crystal nanosheets and have dominant exposure of the {001} facets. It is found from EPR spectra that adding zinc powder is an environment-friendly and effective strategy to introduce Ti3+ and oxygen vacancy (Ov) into the bulk of 3D hollow nano-boxes rather than the surface, which is responsible for their enhanced visible photocatalytic proper-ties. The photocatalytic activity was evaluated by measuring the formation rate of hydroxide free radicals using 7-hydroxycoumarin as a probe. The sample prepared with zinc/TiOF2 mass ratio of 0.25 exhibited the highest RhB photodegradation activity under visible-light irradiation with a deg-radation rate of 96%, which is 4.0-times higher than that of pure TiO2. The results suggest a novel approach to construct in-situ 3D hierarchical TiO2 hollow nanoboxes doped with Ti3+ and Ov without introducing any impurity elements for superior visible-light photocatalytic activity. |
Author | 吕康乐 陈连清 黎小芳 邓克俭 张成江 田丽君 |
AuthorAffiliation | 中南民族大学催化材料科学国家民委-教育部重点实验室,湖北武汉,430074%武汉科技大学化学化工学院,湖北武汉,430081 |
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Author_FL | Lianqin Chen Kejian Deng Xiaofang Li Chengjiang Zhang Lijun Tian Kangle Lv |
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ContentType | Journal Article |
Copyright | Copyright © Wanfang Data Co. Ltd. All Rights Reserved. |
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DBID | 2B. 4A8 92I 93N PSX TCJ |
DOI | 10.1016/S1872-2067(18)63106-7 |
DatabaseName | Wanfang Data Journals - Hong Kong WANFANG Data Centre Wanfang Data Journals 万方数据期刊 - 香港版 China Online Journals (COJ) China Online Journals (COJ) |
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DeliveryMethod | fulltext_linktorsrc |
Discipline | Chemistry |
DocumentTitle_FL | One-pot topotactic synthesis of Ti3+self-doped 3D TiO2 hollow nanoboxes with enhanced visible light response |
EISSN | 1872-2067 |
EndPage | 1383 |
ExternalDocumentID | cuihuaxb201808010 |
GrantInformation_xml | – fundername: The work was supported by the National Natural Science Foundation of China; Hubei Province Science Fund for Distinguished Yong Scholars; the Program for Excellent Talents in Hubei Province; the Opening Project of Key La-boratory of Green Catalysis of Sichuan Institutes of High Education; the Fundamental Research Funds for the Central University, South-Central University for Nationalities (CZP17077).国家自然科学基金; 湖北省杰出青年基金; 湖北省青年英才开发计划; 绿色催化四川省高校重点实验室开放课题基金; 中南民族大学中央高校专项基金 funderid: (20702064, 21177161, 31402137); (2013CFA034); (RCJH15001); (LYZ1107); (20702064, 21177161, 31402137); (2013CFA034); (RCJH15001); (LYZ1107); (CZP17077) |
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ID | FETCH-wanfang_journals_cuihuaxb2018080103 |
ISSN | 0253-9837 |
IngestDate | Tue Feb 13 23:37:07 EST 2024 |
IsPeerReviewed | true |
IsScholarly | true |
Issue | 8 |
Keywords | Photocatalytic activity 拓扑相变 Ti3+ self-doped Three-dimensional hollow nanoboxes 3维空盒子 光催化活性 Topological transformation Ti3+自掺杂 Visible light response 可见光响应 |
Language | Chinese |
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PublicationDate | 2018 |
PublicationDateYYYYMMDD | 2018-01-01 |
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PublicationDecade | 2010 |
PublicationTitle | 催化学报 |
PublicationTitle_FL | Chinese Journal of Catalysis |
PublicationYear | 2018 |
Publisher | 中南民族大学催化材料科学国家民委-教育部重点实验室,湖北武汉,430074%武汉科技大学化学化工学院,湖北武汉,430081 |
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Snippet | TiO2广泛用作半导体光催化材料, 但由于自身对光利用率低(只吸收紫外光)、禁带宽度较大、光生载流子复合率极高, 限制了它在相关领域的应用. 为此, 设计了Ti3+离子自掺杂来克服TiO2半导体材料的上述缺点, 进而提高其光催化活性. 在不引入其他元素的情况下, 以TiOF2为原料, Zn粉为还原剂,... |
SourceID | wanfang |
SourceType | Aggregation Database |
StartPage | 1373 |
Title | 拓扑相变制备具有拓宽可见光响应范围的Ti3+自掺杂3D空盒状TiO2 |
URI | https://d.wanfangdata.com.cn/periodical/cuihuaxb201808010 |
Volume | 39 |
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