基本信息
- 項目名稱：
- 摻雜氧化釹的氧化鈦相變以及其光催化分解羅丹明B的研究
- 小類：
- 能源化工
- 大類：
- 自然科學類學術論文
- 簡介：
- 本作品將進一步通過調變合成條件和修飾劑從而控制TiO2表面和體相晶相結構，并研究其內(nèi)在控制晶相的機理。在此基礎上將研究拓展到控制制備具有特殊表面晶相結構的納米TiO2物催化劑，建立TiO2的表面晶相及組成與催化反應性能尤其是光催化反應性能之間的關聯(lián)，從而達到有目的的設計、組裝、合成納米金屬氧化物催化劑，進而為發(fā)展催化劑制備科學奠定基礎
- 詳細介紹：
- 以鈦酸四丁酯和硝酸釹溶液為前驅體，采用共沉淀法制備了0.5 和3 wt% Nd2O3摻雜的TiO2光催化劑，用X射線衍射(XRD)、紫外拉曼光譜(UV Raman spectroscopy)和掃描電鏡(SEM)對催化劑進行了表征。結果表明，通過簡單改變Nd2O3的摻雜量可以調控TiO2體相和表面晶相結構及其組成，Nd2O3的加入還可以有效地抑制TiO2粒子的長大和燒結。相應XPS的結果表明，Nd3+沒有進入TiO2的晶格之中，而是以氧化物形式分散于TiO2粒子表面或者團聚的TiO2粒子之間。此外，Nd3+的分散難易程度隨著焙燒溫度的升高而降低。Nd2O3對TiO2的表面修飾增強了Nd-TiO2樣品表面銳鈦礦晶相的熱穩(wěn)定性。 以羅丹明B為目標降解物考察了TiO2表面晶相對光催化活性的影響，發(fā)現(xiàn)對于相同表面晶相的Nd-TiO2樣品來說，其活性的增加主要是由于具有很高的光誘導電荷分離率，較大的比表面積以及光吸收區(qū)的擴展。而當表面區(qū)為銳鈦礦和金紅石的混合晶相時，銳鈦礦和金紅石的協(xié)同作用有利于提高光催化活性。本文提供了一種簡單方法來調控TiO2表面和體相的晶相結構及其組成，從而根據(jù)光催化反應的需要達到光催化劑制備技術的人為可控。
作品專業(yè)信息
撰寫目的和基本思路
- 本作品將進一步通過調變合成條件和修飾劑從而控制TiO2表面和體相晶相結構，并研究其內(nèi)在控制晶相的機理。在此基礎上將研究拓展到控制制備具有特殊表面晶相結構的納米TiO2物催化劑，建立TiO2的表面晶相及組成與催化反應性能尤其是光催化反應性能之間的關聯(lián)，從而達到有目的的設計、組裝、合成納米金屬氧化物催化劑，進而為發(fā)展催化劑制備科學奠定基礎。
科學性、先進性及獨特之處
- 1）通過控制制備方法、條件和修飾劑，有意識合成具有特殊表面和體相晶相結構的催化劑，使其具有某些特性，為指導設計催化劑奠定基礎； 2）提出通過調變修飾劑不僅可以在催化反應條件下穩(wěn)定多晶相金屬氧化物表面和體相晶相結構，同時能抑制納米金屬氧化物粒子團聚； 3）將紫外拉曼、可見拉曼光譜、XRD等方法相結合深入研究多晶相氧化物表面晶相結構，為多晶相氧化物制備及其在催化和材料領域應用提供理論基礎；
應用價值和現(xiàn)實意義
- 該修飾方法對于納米ZnO，TiO2和ZrO2具有良好的防團聚效果，同時又可以調控上述金屬氧化物的晶相尤其是表面晶相結構，使其發(fā)揮優(yōu)異的性能。目前納米ZnO、TiO2的主流產(chǎn)品價格在1萬8左右，如果能夠解決分散性問題使其替代活性ZnO應用于脫硫劑，其價格將升至3萬左右，而如能同時解決團聚，穩(wěn)定表面晶相，吸收紫外線強度方面的問題應用于納米防曬產(chǎn)品，其價格將升至20萬左右。
學術論文摘要
- 以鈦酸四丁酯和硝酸釹溶液為前驅體，采用共沉淀法制備了Nd-TiO2光催化劑，用XRD、UV Raman spectroscopy和SEM對催化劑進行了表征。結果表明，通過改變Nd2O3的摻雜量可以調控TiO2體相和表面晶相結構和組成，能有效地抑制TiO2粒子長大燒結。以羅丹明B為目標降解物考察TiO2表面晶相對光催化活性的影響，發(fā)現(xiàn)對于Nd-TiO2樣品來說，其活性增加主要是由于具有高的光誘導電荷分離率，較大比表面積和光吸收區(qū)的擴展，銳鈦礦和金紅石的協(xié)同作用。本文提供一種簡單方法來調控其表面和體相晶相結構及其組成，從而根據(jù)需要達到光催化劑制備技術的人為可控。
獲獎情況
- 無
鑒定結果
- 無
參考文獻
- [1] J. Zheng, Z. Liu, X. Liu, X. Yan, D. Li, W. Chu J. Alloys Compd. 509 (2011) 3771-3776. [2] S. Mahshida, M. Askaria, M. Sasani Ghamsarib, N. Afsharc, S. Lahutic, J. Alloys Compd. 478 (2009) 586–589.V. Puddu, H. Choi, D.D. Dionysiou, G.L. Puma, Appl. Catal. B: Environ. 94 (2010) 211–218. [3] L. Baia, L. Diamandescu, L. Barbu-Tudoran, A. Peter, G. Melinte, V. Danciu, M. Baia J. Alloys Compd. 509 (2011) 2672-2678. [4] Mst.S. Nahara, J. Zhang, K. Hasegawa, S. Kagaya, S. Kuroda, Mater. Sci. Semicond. Process. 12 (2009) 168-174. [5] K.V. Baiju, P. Periyat, P. Shajesh, W. Wunderlich, K.A. Manjumol, V.S. Smitha, K.B. Jaimy, K.G.K. Warrier J. Alloys Compd. 505 (2010) 194-200. [6] (a) T. Ohno, K. Sarukawa, M. Matsumura, J. Phys. Chem. B 105 (2001) 2417-2420; (b) Y. Sakatani, D. Grosso, L. Nicole, C. Boissiere, G. Soler-Illia, C. Sanchez, J. Mater. Chem. 16 (2006) 77-82.
同類課題研究水平概述
- 太陽能光催化分解水制氫是解決能源和環(huán)境問題的重要途徑之一，是全世界科學界關注的科學難題。TiO2是一種性能優(yōu)異的光催化材料, 在環(huán)境催化領域已有廣泛應用，自從Fujishima報道TiO2的光催化活性之后[1]，TiO2由于其較好的穩(wěn)定性和制備簡單，無毒價廉，因此關于TiO2光催化劑的研究成為光催化研究的一個核心，一直受到國際催化界的關注。 一般認為TiO2的光催化活性和很多物理性質相關，比如晶粒大小，比表面積，表面羥基等，但是其晶相結構是影響光催化性能的最重要因素之一。在光催化反應中常使用銳鈦礦和金紅石這兩種晶相。 雖然TiO2體相和表面的物理化學性質都影響其光催化活性，但是在光催化反應中表面性質更為重要。這是因為光激發(fā)產(chǎn)生的電子和空穴要遷移到催化劑表面上才能發(fā)生反應而且光催化反應中電子或者空穴是在表面上與吸附分子發(fā)生氧化－還原反應。雖然很多人研究了表面性質對光催化活性的影響，但是關于TiO2表面晶相與光催化反應性能的關聯(lián)研究得還比較少。長期以來關于納米TiO2光催化材料尤其實用粉末型TiO2納米材料的表面晶相結構的研究一直是一個挑戰(zhàn)性課題, 特別是將TiO2光催化劑表面晶相結構與光催化性能直接關聯(lián)的研究尚無人過問報道, 成為光催化領域研究的一個難點。這主要是因為TiO2樣品的物相結構常用XRD來表征，而XRD又是一種體相靈敏的技術。 紫外拉曼光譜相比于XRD和可見拉曼光譜是一種表面靈敏的技術，研究結果發(fā)現(xiàn)TiO2相變過程中體相和表面相變不同步，提出其相變是從相互接觸的銳鈦礦粒子的界面上開始的，然后逐漸擴展到整個團聚粒子。在此基礎上，申請者所在的研究課題組以光催化分解水產(chǎn)氫為模型反應考察了具有不同表面晶相TiO2的光催化性能，發(fā)現(xiàn)TiO2光催化分解水產(chǎn)氫性能主要與其表面晶相有關。特別是TiO2表面區(qū)銳鈦礦和體相金紅石之間形成的半導體異質結即有利于提高光催化活性。 根據(jù)前述結果，為了提高光催化反應活性，在實際使用中就需要對TiO2的晶相進行調控以達到特定的晶相。研究表明，在納米TiO2的制備中，通過摻雜特定的離子，可使TiO2具有某一方面的特性，以期達到特殊的用途[16-17]。對TiO2進行摻雜不僅可以影響TiO2從銳鈦礦到金紅石的相變，而且該方法操作簡單、效果明顯，并且由于可供摻雜的離子眾多，使得這方面的研究受到了普遍的關注。
