氧空位对氮掺杂二氧化钛可见光催化作用影响机制研究

本项目以纳米管钛酸为基础材料，采用水热法氮化及固相反应法氮化等方法，以期获得可见光响应的氮掺杂纳米二氧化钛。本课题组前期的研究结果表明，脱水纳米管钛酸在较宽的可见光区有明显的吸收，并能产生荧光，可见光吸收的产生归因于样品中产生的大量束缚单电子氧空位；如何利用其可见光吸收特性，并结合氮掺杂使之具有较高的可见光催化活性，并详细研究氧空位和氮掺杂的协同作用机制，是本项目研究目的所在。氧空位和氮掺杂是实现纳米二氧化钛可见光响应的两条重要途径，但如何实现二者的有机结合，获得高效可见光响应光催化剂，是本项目的主要研究内容。拟采用水热法和固相反应法制备催化剂，以X-射线光电子能谱、电子顺磁共振谱、时间分辨红外谱、表面光电压谱为主要研究手段，研究氧空位在这种可见光响应光催化剂中的作用机制和本质；这种新型可见光光催剂的研制对太阳能光催化分解水制氢和利用太阳光来治理环境污染都有重要意义。

光催化技术是解决能源和环境问题的有效途径之一，二氧化钛是一种重要的光催化材料，为了提高二氧化钛的可见光利用效率，本课题提出利用氧空位和氮掺杂二氧化钛相互作用的机制获得具有可见光响应的新型氮掺杂纳米二氧化钛光催化剂，重点研究束缚单电子氧空位对氮掺杂TiO2可见光响应的作用机制。研究结果表明，无论是采用气相法、固相法还是水热法，所制备的氮掺杂二氧化钛均显示明显的可见光催化活性，分析其原因，我们认为束缚单电子的氧空位是催化剂具有可见光光催化活性的起源，掺杂的N元素起到阻止光生电子空穴对复合的作用，两者协同作用，使样品表现出明显的可见光光催化活性。前驱体的晶体结构不同导致所制备的样品生成的束缚单电子的氧空位浓度不同，催化剂的可见光光催化活性也不同。在此基础上，我们又制备了贵金属和氮共掺杂的样品，结果表明，氮的掺杂有利于氧空位产生和稳定，同时，掺杂的N起到分离光生电子-空穴对的作用，促进可见光催化活性的提高；另一方面，贵金属物种的存在可以作为光生电子的捕获中心和传输中间体，加速光生电子的转移，进一步提高其可见光催化活性。本课题对氧空位和掺杂氮之间的相互作用机制及其对二氧化钛可见光催化的影响的研究结果，对解释掺杂二氧化钛的可见光催化活性起源具有重要的指导意义。