高热稳定性TiO2空心微球高效光催化氧化丙酮

梁丽 李开宁 吕康乐 何永基 段有雨

引用本文: 梁丽,  李开宁,  吕康乐,  何永基,  段有雨. 高热稳定性TiO2空心微球高效光催化氧化丙酮[J]. 催化学报, 2017, 38(12): 2085-2093. doi: 10.1016/S1872-2067(17)62952-8 shu
Citation:  Li Liang,  Kaining Li,  Kangle Lv,  Wingkei Ho,  Youyu Duan. Highly photoreactive TiO2 hollow microspheres with super thermal stability for acetone oxidation[J]. Chinese Journal of Catalysis, 2017, 38(12): 2085-2093. doi: 10.1016/S1872-2067(17)62952-8 shu

高热稳定性TiO2空心微球高效光催化氧化丙酮

  • 基金项目:

    国家自然科学基金(51672312,21373275);武汉市科技计划(2016010101010018,2015070504020220);香港教育大学院长研究基金(04257).

摘要: 空心结构材料具有低密度、高通透性和易于回收的优点,因此人们对空心球的TiO2,如TiO2空心微球(TiO2-HMSs)的制备非常感兴趣.但是普通TiO2-HMSs的热稳定性较差,一般在600℃以上就由活性较高的锐钛矿相相变成活性很差的金红石相.考虑到氟离子能够抑制TiO2相变,因此我们以Ti(SO42为钛源,在NH4F和H2O2的共同作用下,于180℃水热制备了由空心颗粒自组装成的表面氟化的TiO2-HMSs,并考察了其热稳定性与光催化氧化分解丙酮的性能.
研究发现,当焙烧温度从300℃上升到1000℃时,TiO2平均粒径从79.0 nm逐渐增大到97.7 nm,结晶度从1.00增大到1.53.这是由于热处理促进了TiO2颗粒的晶化.当进一步升温到1100℃时,XRD谱开始出现金红石相TiO2的特征衍射峰,此时约18.4%的锐钛矿相开始向金红石相转化.因此,本文制备的二氧化钛锐钛矿相可以稳定到1000℃,显示出优良的高热稳定性.
扫描电镜显示,水热制备的TiO2-HMSs是由高能(001)面暴露的TiO2十面体纳米晶组装而成.随着焙烧温度提高到900℃,空心微球外观没有显著改变,但是组装体纳米晶暴露出来的空洞逐渐变小,晶粒变得圆滑;至1100℃时,空心微球组装体的纳米晶变成了球形颗粒,但是空心微球的空心结构没有坍塌,空心微球结构依然得到保留.
我们用丙酮的紫外光催化氧化分解来评价不同温度焙烧的TiO2空心微球的光催化活性.结果显示,前驱体TiO2空心微球于300℃焙烧2 h,丙酮的氧化速率从1.39×10-3 min-1(前驱体)降至0.82×10-3 min-1(T300样品),这是因为样品表面吸附的氟离子受热挥发所致;当焙烧温度从300℃提高到900℃时,催化剂活性从0.82×10-3 min-1升至2.09×10-3 min-1,这是由于焙烧促进了TiO2的晶化;进一步升至1000和1100℃时,催化剂活性显著下降,这是由于催化剂的比表面积急剧减小和金红石相的生成.
总之,本文利用氟离子的化学诱导作用制备出表面氟化的空心颗粒自组装TiO2空心微球,该TiO2空心微球显示出超高热稳定性与高光催化活性,因此在高热环境中具有实际应用前景.

English

    1. [1] K. Trzciński, M. Szkoda, M. Sawczak, J. Karczewski, A. Lisowska-Oleksiak, Appl. Surf. Sci., 2016, 385, 199-208.

    2. [2] R. R. Hao, G. H. Wang, C. J. Jiang, H. Tang, Q. C. Xu, Appl. Surf. Sci., 2017, 411, 400-410.

    3. [3] X. F. Wang, T. Y. Li, R. Yu, H. G. Yu, J. G. Yu, J. Mater. Chem. A, 2016, 4, 8682-8689.

    4. [4] Y. Xu, Y. P. Mo, J. Tian, P. Wang, H. G. Yu, J. G. Yu, Appl. Catal. B, 2016, 181, 810-817.

    5. [5] Q. J. Xiang, F. Y. Cheng, D. Lang, ChemSusChem, 2016, 9, 996-1002.

    6. [6] L. J. Zhang, R. Zheng, S. Li, B. K. Liu, D. J. Wang, L. L. Wang, T. F. Xie, ACS Appl. Mater. Interfaces, 2014, 6, 13406-13412.

    7. [7] D. Lang, F. Y. Cheng, Q. J. Xiang, Catal. Sci. Technol., 2016, 6, 6207-6216.

    8. [8] M. S. Akple, J. X. Low, Z. Y. Qin, S. Wageh, A. A. Al-Ghamdi, J. G. Yu, S. W. Liu, Chin. J. Catal., 2015, 36, 2127-2134.

    9. [9] F. Wang, Y. Zhou, P. Li, L. B. Kuai, Z. G. Zou, Chin. J. Catal., 2016, 37, 863-868.

    10. [10] W. K. Wang, D. F. Xu, B. Cheng, J. G. Yu, C. J. Jiang, J. Mater. Chem. A, 2017, 5, 5020-5029.

    11. [11] M. S. Akple, J. X. Low, S. W. Liu, B. Cheng, J. G. Yu, W. K. Ho, J. CO2 Utilization, 2016, 16, 442-449.

    12. [12] R. W. Yang, J. H. Cai, K. L. Lv, X. F. Wu, W. G. Wang, Z. H. Xu, M. Li, Q. Li, W. Q. Xu, Appl. Catal. B, 2017, 210, 184-193.

    13. [13] G. Liu, H. G. Yang, J. Pan, Y. Q. Yang, G. Q. Lu, H. M. Cheng, Chem. Rev., 2014, 114, 9559-9612.

    14. [14] T. Froschl, U. Hormann, P. Kubiak, G. Kucerova, M. Pfanzelt, C. K. Weiss, R. J. Behm, N. Husing, U. Kaiser, K. Landfesterd, M. Wohlfahrt-Mehrens, Chem. Soc. Rev., 2012, 41, 5313-5360.

    15. [15] C. Liu, F. Raziq, Z. J. Li, Y. Qu, A. Zada, L. Q. Jing, Chin. J. Catal., 2017, 38, 1072-1078.

    16. [16] D. A. Erdogan, E. Ozensoy, Appl. Surf. Sci., 2017, 403, 159-167.

    17. [17] X. L. Wang, S. Shen, Z. C. Feng, C. Li, Chin. J. Catal., 2016, 37, 2059-2068.

    18. [18] J. Q. Wen, X. Li, W. Liu, Y. P. Fang, J. Xie, Y. H. Xu, Chin. J. Catal., 2015, 36, 2049-2070.

    19. [19] Z. Li, S. Cong, Y. M. Xu, ACS Catal., 2014, 4, 3273-3280.

    20. [20] M. Addamo, M. Bellardita, A. Di. Paola, L. Palmisano, Chem. Commun., 2006, 4943-4945.

    21. [21] J. G. Yu, H. T. Guo, S. Davis, S. Mann, Adv. Funct. Mater., 2006, 16, 2035-2041.

    22. [22] H. G. Yang, H. C. Zeng, J. Phys. Chem. B, 2004, 108, 3492-3495.

    23. [23] X. X. Li, Y. J. Xiong, Z. Q. Li, Y. Xie, Inorg. Chem., 2006, 45, 3493-3495.

    24. [24] X. J. Cheng, M. Chen, L. M. Wu, G. X. Gu, Langmuir, 2006, 22, 3858-3863.

    25. [25] J. H. Pan, X. W. Zhang, A. J. Du, D. D. Sun, J. O. Leckie, J. Am. Chem. Soc., 2008, 130, 11256-11257.

    26. [26] C. Dwivedi, V. Dutta, Appl. Surf. Sci., 2012, 258, 9584-9588.

    27. [27] N. Guo, Y. M. Liang, S. Lan, L. Liu, G. J. Ji, S. C. Gan, H. F. Zou, X. C. Xu, Appl. Surf. Sci., 2014, 305, 562-574.

    28. [28] W. Y. Hu, W. Zhou, K. F. Zhang, X. C. Zhang, L. Wang, B. J. Jiang, G. H. Tian, D. Y. Zhao, H. G. Fu, J. Mater. Chem. A, 2016, 4, 7495-7502.

    29. [29] Y. Xia, Q. Li, K. L. Lv, M. Li, Appl. Surf. Sci., 2017, 398, 81-88.

    30. [30] X. F. Wang, R. Yu, K. Wang, G. Q. Yang, H. G. Yu, Chin. J. Catal., 2015, 36, 2211-2218.

    31. [31] S. F. Chen, H. Q. Wang, L. J. Zhu, J. F. Li, J. F. Sun, Appl. Surf. Sci., 2014, 321, 86-93.

    32. [32] G. T. Dai, L. Zhao, J. Li, L. Wan, F. Hu, Z. X. Xu, B. H. Dong, H. B. Lu, S. M. Wang, J. G. Yu, J. Colloid Interf. Sci., 2012, 365, 46-52.

    33. [33] Z. K. Zheng, B. B. Huang, X. Y. Qin, X. Y. Zhang, Y. Dai, Chem. Eur. J., 2010, 16, 11266-11270.

    34. [34] J. F. Lan, X. F. Wu, K. L. Lv, L. L. Si, K. J. Deng, Chin. J. Catal., 2015, 36, 2237-2243.

    35. [35] K. L. Lv, Q. J. Xiang, J. G. Yu, Appl. Catal. B, 2011, 104, 275-281.

    36. [36] A. A. Shutilov, G. A. Zenkovets, V. Yu. Gavrilov, S. V. Tsybulya, Ma-ter. Today:Proceed., 2017, 4, 11486-11489

    37. [37] Y. Kumari, L. K. Jangir, A. Kumar, M. Kumar, K. Awasthi, Solid State Commun., 2017, 263, 1-5.

    38. [38] P. Periyat, S. C. Pillai, D. E. McCormack, J. Colreavy, S. J. Hinder, J. Phys. Chem. C, 2008, 112, 7644-7652.

    39. [39] P. Periyat, D. E. McCormack, S. J. Hinder, S. C. Pillai, J. Phys. Chem. C, 2009, 113, 3246-3253.

    40. [40] S. W. Liu, J. G. Yu, S. Mann, J. Phys. Chem. C, 2009, 113, 10712-10717.

    41. [41] Y. Y. Lv, L. H. Yu, H. Y. Huang, H. L. Liu, Y. Y. Feng, Appl. Surf. Sci., 2009, 255, 9548-9552.

    42. [42] J. C. Yu, J. G. Yu, W. K. Ho, Z. T. Jiang, L. Z. Zhang, Chem. Mater., 2002, 14, 3808-3816.

    43. [43] S. C. Padmanabhan, S. C. Pillai, J. Colreavy, S. Balakrishnan, D. E. McCormack, T. S. Perova, Y. Gunko, S. J. Hinder, J. M. Kelly, Chem. Mater., 2007, 19, 4474-4481.

    44. [44] J. H. Cai, Z. Y. Wang, K. L. Lv, Y. Zheng, J. G. Yu, M. Li, RSC Adv., 2013, 3, 15273-15281.

    45. [45] R. Rahimi, S. Zargari, A. Yousefi, M. Yaghoubi Berijani, A. Ghaf-farinejad, A. Morsali, Appl. Surf. Sci., 2015, 355, 1098-1106.

    46. [46] L. L. Yin, M. Zhao, H. L. Hu, J. H. Ye, D. F. Wang, Chin. J. Catal., 2017, 38, 1307-1314.

    47. [47] T. T. Wu, X. D. Kang, M. W. Kadi, I. Ismail, G. Liu, H. M. Cheng, Chin. J. Catal., 2015, 36, 2103-2108.

    48. [48] K. L. Lv, J. G. Yu, K. J. Deng, X. H. Li, M. Li, J. Phys. Chem. Solid, 2010, 71, 519-522.

    49. [49] J. G. Yu, Y. R. Su, B. Cheng, Adv. Funct. Mater., 2007, 17, 1984-1990.

    50. [50] C. X. Lei, X. L. Jiang, X. Huang, X. Liu, D. Q. Zeng, Y. T. Ma, L. S. Wang, D. L. Peng, Appl. Surf. Sci., 2015, 359, 860-867.

    51. [51] H. G. Yang, C. H. Sun, S. Z. Qiao, J. Zou, G. Liu, S. C. Smith, H. M. Cheng, G. Q. Lu, Nature, 2008, 453, 638-641.

    52. [52] Y. Wang, H. M. Zhang, Y. H. Han, P. R. Liu, X. D. Yao, H. J. Zhao, Chem. Commun., 2011, 47, 2829-2831.

    53. [53] Q. J. Xiang, K. L. Lv, J. G. Yu, Appl. Catal. B, 2010, 96, 557-564.

    54. [54] Z. Y. Wang, K. L. Lv, G. H. Wang, K. J. Deng, D. G. Tang, Appl. Catal. B, 2010, 100, 378-385.

    55. [55] F. He, F. Ma, T. Li, G. X. Li, Chin. J. Catal., 2017, 34, 2263-2270.

    56. [56] K. L. Lv, X. F. Li, K. J. Deng, J. Sun, X. H. Li, M. Li, Appl. Catal. B, 2010, 95, 383-392.

    57. [57] J. C. Yu, W. K. Ho, J. G. Yu, S. K. Hark, K. Iu, Langmuir, 2003, 19, 3889-3896.

    58. [58] L. L. Si, Z. A. Huang, K. L. Lv, D. G. Tang, C. J. Yang, J. Alloys Compd., 2014, 601, 88-93.

    59. [59] J. H. Cai, Z. A. Huang, K. L. Lv, J. Sun, K. J. Deng, RSC Adv., 2014, 4, 19588-19593.

    60. [60] K. L. Lv, B. Cheng, J. G. Yu, G. Liu, Phys. Chem. Chem. Phys., 2012, 14, 5349-5362.

    61. [61] J. G. Yu, H. G. Yu, B. Cheng, X. J. Zhao, J. C. Yu, W. K. Ho, J. Phys. Chem. B, 2003, 107, 13871-13879.

    62. [62] Z. Zhang, O. Bondarchuk, B. D. Kay, J. M. White, Z. Dohnalek, J. Phys. Chem. B, 2006, 110, 21840-21845.

    63. [63] C. Minero, G. Mariella, V. Maurino, E. Pelizzetti, Langmuir, 2000, 16, 2632-2641.

    64. [64] A. Y. Nosaka, J. Nishino, T. Fujiwara, T. Ikegami, H. Yagi, H. Akutsu, Y. Nosaka, J. Phys. Chem. B, 2006, 110, 8380-8385.

    65. [65] L. Ren, Y. Z. Li, J. T. Hou, X. J. Zhao, C. X. Pan, ACS Appl. Mater. Interfaces, 2014, 6, 1608-1615.

    66. [66] Y. Wang, J. G. Yu, W. Xiao, Q. Li, J. Mater. Chem. A, 2014, 2, 3847-3855.

    67. [67] J. S. Park, W. Choi, Langmuir, 2004, 20, 11523-11527.

    68. [68] K. L. Lv, J. G. Yu, K. J. Deng, J. Sun, Y. X. Zhao, D. Y. Du, M. Li, J. Haz-ard. Mater., 2010, 173, 539-543.

    69. [69] C. Minero, G. Mariella, V. Maurino, D. Vione, E. Pelizzetti, Langmuir, 2000, 16, 8964-8972.

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  1
  • 文章访问数:  1324
  • HTML全文浏览量:  127
文章相关
  • 收稿日期:  2017-10-11
  • 修回日期:  2017-10-30
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

  1. 本站搜索
  2. 百度学术搜索
  3. 万方数据库搜索
  4. CNKI搜索

/

返回文章