无缺陷和氧缺陷二氧化钛的光催化活性

刘书源 戚克振 仇萌

引用本文: 刘书源,  戚克振,  仇萌. 无缺陷和氧缺陷二氧化钛的光催化活性[J]. 催化学报, 2018, 39(4): 867-875. doi: 10.1016/S1872-2067(17)62999-1 shu
Citation:  Kezhen Qi,  Shu-yuan Liu,  Meng Qiu. Photocatalytic performance of TiO2 nanocrystals with/without oxygen defects[J]. Chinese Journal of Catalysis, 2018, 39(4): 867-875. doi: 10.1016/S1872-2067(17)62999-1 shu

无缺陷和氧缺陷二氧化钛的光催化活性

  • 基金项目:

    国家自然科学基金(51602207);沈阳医学院博士科研启动基金(20174043);沈阳医学院大学生科研项目(20160809);辽宁省博士科研启动基金(201601149,20170520011).

摘要: 随着全球工业的发展,大量有机污染物排放到水中,已经威胁到人类健康.自1972年Fujishima和Honda发现TiO2半导体材料可在光照下分解水以来,光催化技术作为一种新型污水处理方法引起广泛重视.近几十年来,光催化已被广泛研究,已成为水体净化领域最有前途的方法之一.TiO2光催化剂由于具有无毒、耐腐蚀、高稳定和低成本等特点,在光催化领域受到广泛关注,是最具有开发前景的光催化材料之一.然而,TiO2的禁带较宽,只能吸收仅占太阳光4%的紫外光部分,这严重限制了TiO2光催化材料对太阳光的有效应用.最新研究结果表明,适量缺陷的存在可以拓展TiO2对可见光的响应,从而通过提高其对太阳光的利用效率来有效提升TiO2的光催化活性.因此,研究半导体缺陷与其光催化剂性能的关系,对于提升光催化污染物降解性能具有重要意义.
本工作采用水热法和溶胶-凝胶法分别制备了具有氧缺陷的和无缺陷的TiO2,用于研究氧缺陷对TiO2光催化活性的影响.所制备的氧缺陷TiO2纳米材料为浅蓝色,光的吸收波长向可见光区(~420nm)拓展.拉曼光谱和X射线光电子能谱(XPS)测试均证明溶胶-凝胶法制备的TiO2中氧空缺位的浓度低于水热合成TiO2的氧空缺位浓度.光化学测试结果表明,氧缺陷TiO2在模拟太阳光下的光电流响应增强,这是由于氧缺陷的引入导致能带隙内出现了新的电子态,使得禁带宽度变窄.在光降解亚甲基蓝(MB)的实验中,氧缺陷TiO2材料表现出更高的光催化活性.根据密度泛函理论(DFT)计算和荧光光谱测试结果,讨论了氧缺陷TiO2的光催化机理.

English

    1. [1] A. Fujishima, K. Honda, Nature, 1972, 238, 37-38.

    2. [2] J. Kuncewicz, P. Ząbek, K. Kruczała, K. Szaciłowski, W. Macyk, J. Phys. Chem. C, 2012, 116, 21762-21770.

    3. [3] M. Pacia, P. Warszyński, W. Macyk, Dalton Trans., 2014, 43, 12480-12485.

    4. [4] S. W. Liu, J. Q. Xia, J. G. Yu, ACS Appl. Mater. Interfaces, 2015, 7, 8166-8175.

    5. [5] C. P. Sajan, S. Wageh, A. A. Al-Ghamdi, J. G. Yu, S. W. Cao, Nano Res., 2016, 9, 3-27.

    6. [6] J. Q. Wen, X. Li, W. Liu, Y. P. Fang, J. Xie, Y. H. Xu, Chin. J. Catal., 2015, 36, 2049-2070.

    7. [7] Q. J. Xiang, J. G. Yu, M. Jaroniec, Phys. Chem. Chem. Phys., 2011, 13, 4853-4861.

    8. [8] J. G. Yu, G. P. Dai, Q. J. Xiang, M. Jaroniec, J. Mater. Chem., 2011, 21, 1049-1057.

    9. [9] W. L. Yu, J. F. Zhang, T. Y. Peng, Appl. Catal. B, 2016, 181, 220-227.

    10. [10] M. H. N. Assadi, D. A. H. Hanaor, Appl. Surf. Sci., 2016, 387, 682-689.

    11. [11] T. Xiong, H. W. Huang, Y. J. Sun, F. Dong, J. Mater. Chem. A, 2015, 3, 6118-6127.

    12. [12] S Sakthivel, M. V. Shankar, M. Palanichamy, B. Arabindoo, D. W. Bahnemann, V. Murugesan, Water Res., 2004, 38, 3001-3008.

    13. [13] X. F. Wang, R. Yu, K. Wang, G. Q. Yang, H. G. Yu, Chin. J. Catal., 2015, 36, 2211-2218.

    14. [14] X. F. Zhu, B. Cheng, J. G. Yu, W. Ho, Appl. Surf. Sci., 2016, 364, 808-814.

    15. [15] A. Y. Meng, J. Zhang, D. F. Xu, B. Cheng, J. G. Yu, Appl. Catal. B, 2016, 198, 286-294.

    16. [16] X. Li, J. G. Yu, M. Jaroniec, Chem. Soc. Rev., 2016, 45, 2603-2636.

    17. [17] H. L. Zhao, J. T. Chen, G. Y. Rao, W. Deng, Y. Li, Appl. Surf. Sci., 2017, 404, 49-56.

    18. [18] J. Q. Wen, J. Xie, R. C. Shen, X. Li, X. Y. Luo, H. D. Zhang, A. P. Zhang, G. C. Bi, Dalton Trans., 2017, 46, 1794-1802.

    19. [19] F. Wang, Y. Zhou, P. Li, L. B. Kuai, Z. G. Zou, Chin. J. Catal., 2016, 37, 863-868.

    20. [20] X. L. Wang, S. Shen, Z. C. Feng, C. Li, Chin. J. Catal., 2016, 37, 2059-2068.

    21. [21] Y. F. Li, W. P. Zhang, X. Shen, P. F. Peng, L. B. Xiong, Y. Yu, Chin. J. Catal., 2015, 36, 2229-2236.

    22. [22] L. Pan, J. W. Zhang, X. Jia, Y. H. Ma, X. W. Zhang, L. Wang, J. J. Zou, Chin. J. Catal., 2017, 38, 253-259.

    23. [23] K. Z. Qi, F. Zasada, W. Piskorz, P. Indyka, J. Grybos, M. Trochowski, M. Buchalska, M. Kobielusz, W. Macyk, Z. Sojka, J. Phys. Chem. C, 2016, 120, 5442-5456.

    24. [24] F. J. Wu, W. Liu, J. L. Qiu, J. Z. Li, W. Y. Zhou, Y. P. Fang, S. T. Zhang, X. Li, Appl. Surf. Sci., 2015, 358, 425-435.

    25. [25] K. Z. Qi, R. Selvaraj, T. A. Fahdi, S. Al-Kindy, Y. Kim, G. C. Wang, C. W. Tai, M. Sillanpää, Appl. Surf. Sci., 2016, 387, 750-758.

    26. [26] J. G. Yu, T. T. Ma, G. Liu, B. Cheng, Dalton Trans., 2011, 40, 6635-6644.

    27. [27] W. K. Wang, D. F. Xu, B. Cheng, J. G. Yu, C. J. Jiang, J. Mater. Chem. A, 2017, 5, 5020-5029.

    28. [28] M. R. Hoffmann, S. T. Martin, W. Choi, D. W. Bahnemann, Chem. Rev., 1995, 95, 69-96.

    29. [29] S. U. M. Khan, M. Al-Shahry, W. B. Ingler Jr, Science, 2002, 297, 2243-2245.

    30. [30] Z. Y. Huang, Z. G. Gao, S. M. Gao, Q. Y. Wang, Z. Y. Wang, B. B. Huang, Y. Dai, Chin. J. Catal., 2017, 38, 821-830.

    31. [31] 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.

    32. [32] F. Zuo, L. Wang, T. Wu, Z. Y. Zhang, D. Borchardt, P. Y. Feng, J. Am. Chem. Soc., 2010, 132, 11856-11857.

    33. [33] L. Li, H. W. Tian, F. L. Meng, X. Y. Hu, W. T. Zheng, C. Q. Sun, Appl. Surf. Sci., 2014, 317, 568-572.

    34. [34] J. Z. Ma, H. M. Wu, Y. C. Liu, H. He, J. Phys. Chem. C, 2014, 118, 7434-7441.

    35. [35] H. L. Guo, Q. Zhu, X. L. Wu, Y. F. Jiang, X. Xie, A. W. Xu, Nanoscale, 2015, 7, 7216-7223.

    36. [36] K. Z. Qi, B. Cheng, J. G. Yu, W. Ho, J. Alloys Compd., 2017, 727, 792-820.

    37. [37] T. Xiong, W. L. Cen, Y. X. Zhang, F. Dong, ACS Catal., 2016, 6, 2462-2472.

    38. [38] J. Q. Wen, J. Xie, X. B. Chen, X. Li, Appl. Surf. Sci., 2017, 391, 72-123.

    39. [39] Z. W. Zhao, Y. J. Sun, F. Dong, Nanoscale, 2015, 7, 15-37.

    40. [40] Y. C. Huang, B. Long, M. N. Tang, Z. B. Rui, M. S. Balogun, Y. X. Tong, H. B. Ji, Appl. Catal. B, 2016, 181, 779-787.

    41. [41] L. Schwertmann, M. Wark, R. Marschall, RSC Adv., 2013, 3, 18908-18915.

    42. [42] S. Ma, J. Xie, J. Q. Wen, K. L. He, X. Li, W. Liu, X. C. Zhang, Appl. Surf. Sci., 2017, 391, 580-591.

    43. [43] J. Y. Shi, H. N. Cui, Z. X. Liang, X. H. Lu, Y. X. Tong, C. Y. Su, H. Liu, Energy Environ. Sci., 2011, 4, 466-470.

    44. [44] Y. S. Li, Z. L. Tang, J. Y. Zhang, Z. T. Zhang, J. Phys. Chem. C, 2016, 120, 9750-9763.

    45. [45] M. Qiu, D. Q. Zhu, X. C. Bao, J. Y. Wang, X. F. Wang, R. Q. Yang, J. Mater. Chem. A, 2016, 4, 894-900.

    46. [46] G. Kresse, J. Hafner, Phys. Rev. B, 1994, 49, 14251-14269.

    47. [47] G. Kresse, J. Furthmüller, Comput. Mater. Sci., 1996, 6, 15-50.

    48. [48] J. P. Perdew, J. A. Chevary, S. H. Vosko, K. A. Jackson, M. R. Peder-son, D. J. Singh, C. Fiolhais, Phys. Rev. B, 1992, 46, 6671-6687.

    49. [49] P. E. Blöchl, Phys. Rev. B, 1994, 50, 17953-17979.

    50. [50] G. Kresse, D. Joubert, Phys. Rev. B, 1999, 59, 1758-1775.

    51. [51] A. S. Barnard, P. Zapol, L. A. Curtiss, J. Chem. Theory Comput., 2005, 1, 107-116.

    52. [52] H. J. Monkhorst, J. D. Pack, Phys. Rev. B, 1976, 13, 5188-5192.

    53. [53] J. Q. Yan, G. J. Wu, N. J. Guan, L. D. Li, Z. X. Li, X. Z. Cao, Phys. Chem. Chem. Phys., 2013, 15, 10978-10988.

    54. [54] A. S. Barnard, L. A. Curtiss, Nano Lett., 2005, 5, 1261-1266.

    55. [55] G. L. Zhu, T. Q. Lin, X. J. Lü, W. Zhao, C. Y. Yang, Z. Wang, H. Yin, Z. Q. Liu, F. Q. Huang, J. H. Lin, J. Mater. Chem. A, 2013, 1, 9650-9653.

    56. [56] Z. Wang, C. Y. Yang, T. Q. Lin, H. Yin, P. Chen, D. Y. Wan, F. F. Xu, F. Q. Huang, J. H. Lin, X. M. Xie, M. H. Jiang, Energy Environ. Sci., 2013, 6, 3007-3014.

    57. [57] J. H. Zheng, Q. Jiang, J. S. Lian, Appl. Surf. Sci., 2011, 257, 5083-5087.

    58. [58] X. G. Han, H. Z. He, Q. Kuang, X. Zhou, X. H. Zhang, T. Xu, Z. X. Xie, L. S. Zheng, J. Phys. Chem. C, 2009, 113, 584-589.

    59. [59] X. B. Chen, S. S. Mao, Chem. Rev., 2007, 107, 2891-2959.

    60. [60] J. Zhang, F. J. Shi, J. Lin, D. F. Chen, J. M. Gao, Z. X. Huang, X. X. Ding, C. C. Tang, Chem. Mater., 2008, 20, 2937-2941.

    61. [61] A. Naldoni, M. Allieta, S. Santangelo, M. Marelli, F. Fabbri, S. Cappelli, C. L. Bianchi, R. Psaro, V. D. Santo, J. Am. Chem. Soc., 2012, 134, 7600-7603.

    62. [62] Y. Yan, M. Han, A. Konkin, T. Koppe, D. Wang, T. Andreu, G. Chen, U. Vetter, J. R. Morante, P. Schaaf, J. Mater. Chem. A, 2014, 2, 12708-12716.

    63. [63] L, L. Tan, W. J. Ong, S. P. Chai, A. R. Mohamed, Chem. Commun., 2014, 50, 6923-6926.

    64. [64] L. Q. Jing, Y. C. Qu, B. Q. Wang, S. D. Li, B. J. Jiang, L. B. Yang, W. Fu, H. G. Fu, Z. J. Sun, Sol. Energy Mater. Sol. Cells, 2006, 90, 1773-1787.

    65. [65] V. Saxena, D. K. Aswal, M. Kaur, S. P. Koiry, S. K. Gupta, J. V. Yakhmi, R. J. Kshirsagar, S. K. Deshpande, Appl. Phys. Lett., 2007, 90, 043516.

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  48
  • 文章访问数:  1497
  • HTML全文浏览量:  573
文章相关
  • 收稿日期:  2017-11-20
  • 修回日期:  2017-12-30
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