有序介孔TiO2纳米纤维及其串联光催化水处理-产氢性能

光催化技术在环境净化及新能源开发方面具有巨大的研究潜力, 特别在有机污染物降解去除和分解水制氢展示出了广泛的应用前景. 二氧化钛(TiO2)具有出色的光催化活性和稳定性、低成本和无毒性等性质, 是最有前景的光催化剂之一, 但离广泛实用还有一定距离. TiO2光催化活性很大程度上取决于其尺寸, 结晶度和形状等结构特征, 因此, TiO2的纳米结构优化设计, 为开发高活性TiO2光催化材料, 推动其商业和工业应用提供了新的可能. 最近大量研究表明, 一维(1D)纳米结构, 如纳米管, 纳米线和纳米纤维等, 具有卓越的光生电荷分离和传输能力, 可提高光催化活性. 鉴于此, 1D TiO2纳米光催化剂...

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Published in催化学报 Vol. 41; no. 1; pp. 50 - 61
Main Authors 黄国城, 刘学艳, 施双汝, 李斯坦, 肖正涛, 甄伟前, 刘升卫, 王保强
Format Journal Article
LanguageChinese
Published 广东工业大学环境健康与污染控制研究院, 环境科学与工程学院, 广东广州510006 2020
香港中文大学生命科学学院, 香港新界沙田999077%中山大学环境科学与工程学院,广东广州,510006%香港中文大学生命科学学院, 香港新界沙田999077
中山大学环境科学与工程学院, 广东广州510006
Subjects
产氢
二氧化钛纳米纤维
Photocatalysis
光催化
污染物降解
TiO2 nanofiber
Hydrogen production
Pollutant degradation
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Summary:光催化技术在环境净化及新能源开发方面具有巨大的研究潜力, 特别在有机污染物降解去除和分解水制氢展示出了广泛的应用前景. 二氧化钛(TiO2)具有出色的光催化活性和稳定性、低成本和无毒性等性质, 是最有前景的光催化剂之一, 但离广泛实用还有一定距离. TiO2光催化活性很大程度上取决于其尺寸, 结晶度和形状等结构特征, 因此, TiO2的纳米结构优化设计, 为开发高活性TiO2光催化材料, 推动其商业和工业应用提供了新的可能. 最近大量研究表明, 一维(1D)纳米结构, 如纳米管, 纳米线和纳米纤维等, 具有卓越的光生电荷分离和传输能力, 可提高光催化活性. 鉴于此, 1D TiO2纳米光催化剂的设计和可控制备引起了广泛的研究关注. 一般而言, 1D TiO2制备方法包括溶胶凝胶法, 水热法, 溶剂热法和静电纺丝法. 其中, 水热法由于简单高效, 是最广泛使用的一种制备方法. 通常, 水热法制备1D TiO2包括两个主要步骤. 首先, 在浓NaOH水溶液中的水热处理, 将不规则的TiO2颗粒转化为均匀的1D纳米钛酸盐中间体. 随后, 通过氢离子交换和热转化, 将所获得的钛酸盐转化为1D TiO2. 钛酸盐中间体的形成和转化过程, 对调控所得1D TiO2产物的结构特征, 包括相、尺寸、形状和组成等, 具有至关重要的作用. 然而, 传统水热法的反应条件非常苛刻, 经常导致1D纳米结构的破坏及纳米颗粒的无序排列, 降低了获得材料的光催化活性. 因此, 发展温和的钛酸盐转化方法, 将为制备高活性光催化材料提供新思路. 本文通过新颖的蒸汽热方法, 成功将钛酸盐纳米带转化为由纳米晶定向组装而成的介孔TiO2纳米纤维. 结合XRD, BET, TEM, XPS, UV-Vis和PL等分析手段详细表征了催化剂的组成与结构, 基于有机污染物(以罗丹明B为例)降解以及光催化分解水制氢考察了催化剂的光催化活性. 结果表明, 在150 °C蒸汽热处理得到的1D TiO2纳米纤维具有最高的光催化氧化活性与还原活性, 均优于商业TiO2(P25). 1D TiO2纳米纤维具有介孔结构, 其纳米晶排列有序, 从而对增强光催化性能至关重要. 各向异性锐钛矿纳米晶的有序排列, 促进了光生电子与空穴沿纳米纤维结构定向传递, 降低电子-空穴复合几率. 介孔结构和高表面积有利于光催化反应过程中的质量交换. 鉴于1D TiO2纳米纤维同时具有最高的光催化
ISSN:0253-9837
1872-2067