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
Main Authors 张成江, 田丽君, 陈连清, 黎小芳, 吕康乐, 邓克俭
Format Journal Article
LanguageChinese
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
Subjects
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
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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.
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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Kejian Deng
Xiaofang Li
Chengjiang Zhang
Lijun Tian
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Copyright Copyright © Wanfang Data Co. Ltd. All Rights Reserved.
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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)
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DatabaseTitleList
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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
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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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ISSN 0253-9837
IngestDate Tue Feb 13 23:37:07 EST 2024
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Issue 8
Keywords Photocatalytic activity
拓扑相变
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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,...
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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
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