具有可见光响应的特殊形貌TiO2的制备及其光催化反应机理研究

纳米TiO2光催化技术作为最有发展前景的环境污染治理技术之一受到了广泛的关注。其中如何通过简单的方法有效地提高TiO2对可见光的利用、提高光催化效率是TiO2光催化技术研究的重点。在前期的工作中我们采用无水体系的均相沉积法，通过调整表面活性剂可控制备了多种形貌TiO2纳米粒子，并证明了这些具有特殊形貌的纳米粒子其光催化活性远远高于商用光催化剂。为进一步提高该光催化剂的催化活性并探索催化机理，本研究拟采用无水体系均相沉积的方法可控制备高活性面（001）占主导的特殊形貌TiO2光催化材料，并通过N、Fe、P等离子掺杂提高TiO2的可见光利用率及量子效应；同时，通过XPS、XRD、SEM、 FT-IF、 TG以及 TEM等手段分析测试催化剂的结构、形貌及反应过程中的产物变化；结合第一性原理理论计算探讨晶体的生长过程及TiO2（001）表面的催化反应机理、为开发廉价、高效的光催化剂提供新思路。

纳米TiO2光催化技术作为最有发展前景的环境污染治理技术之一受到了广泛的关注。本项目着重于如何通过简单的方法有效提高纳米TiO2光催化剂对可见光的利用、提高其光催化效率等问题的研究。本项目采用自主研发的无水体系的纯有机均相沉积法，通过调整表面活性剂等反应条件实现常温下批量生产纳米TiO2光催化剂，通过金属及非金属掺杂可控制备出了多种形貌的纳米TiO2光催化剂，并通过SEM、XRD、XPS等表征手段对其光催化性能进行验证，研究结果表明：(1) 金属掺杂可以有效提高纳米TiO2光催化性能。掺杂镍、铜金属元素可以有效提高纳米二氧化钛在可见光区的活性，且焙烧温度在350℃ 时，其吸附性能和光催化活性都较为优异。掺杂金属离子后的纳米二氧化钛，其光催化活性随着LED光源波长的增加基本呈现先上升再下降的趋势，通常在395 nm LED光照下光催化效果最优，尤其是350℃ 焙烧的掺杂乙酰丙酮铜的纳米二氧化钛光催化剂，光照80 min后，亚甲基蓝溶液的透光率达到93.70%，脱色效率为64.91%。而在可见光区，焙烧温度为350℃ 的掺杂乙酸镍和乙酰丙酮镍的纳米二氧化钛光催化活性均相对较高，在425 nm和465 nm LED光照下，光照80 min后，样品溶液的透光率均已超过90%。(2) 可以通知控制纳米粒子的形貌改变纳米TiO2光催化性能。所制备的具有不同形貌的金属镍、金属铜和金属锌掺杂型的纳米TiO2粒子粒径在50nm左右，比表面积均超过250m2/g。经过350℃焙烧后样品具有最佳的光催化性能，在465nm的LED光源下光催化效果远好于P25。而通过采用不同光源进行对比，发现金属镍掺杂TiO2粒子比金属铜、锌掺杂在可见光下具有更佳的催化效果，说明镍掺杂可以明显改变纳米TiO2禁带宽度，拓宽其吸收光谱的范围使其产生有效的可见光响应，使纳米TiO2的光能利用率得到提高。(3) 特殊形貌磷酸钛在无贵金属作为助催化剂的条件下亦具有优良的光解水制氢性能。磷酸的加入量对磷酸钛晶型及形貌起着重要的作用，通过调节磷酸的加入量，成功制备了具有不同维度的特殊形貌磷酸钛，如一维纤维状、二维片状和三维花状。用低温（120 ºC）水热法成功合成了具有非晶/晶体异质结构的ZnO/TiO2复合光催化剂，其在无任何贵金属助催化剂时也可高效产氢。通过简单调整实验参数可实现ZnO/TiO2复合催化剂晶体调控。