Citation: Weiyang Dong, Youwei Yao, Yaojun Sun, Weiming Hua, Guoshun Zhuang. Preparation of three-dimensional interconnected mesoporous anatase TiO2-SiO2 nanocomposites with high photocatalytic activities[J]. Chinese Journal of Catalysis, 2016, 37(6): 846-854. doi: 10.1016/S1872-2067(15)61081-6
孔道三维相互连通锐钛矿TiO2-SiO2纳米复合介孔材料的制备及其高光催化活性
小角XRD结果表明, 母体材料的孔道是两维六方有序结构, 在孔壁内造孔之后, 样品原有的介孔结构仍保持其规整性. 宽角XRD结果显示, 二氧化钛的晶相是锐钛矿, 晶粒尺寸为10.8 nm. 造新孔之后, 锐钛矿纳米晶粒的结晶度和大小与母体样品的相比变化不大. TEM结果显示, 母体样品的孔壁内没有孔. 孔道是两维六方有序排列的直孔道, 孔径大小均一(平均尺寸4.1 nm). 高分辨透射电镜(TEM)观察揭示, 锐钛矿纳米晶粒(平均大小11.3 nm)在孔壁内随机排列, 并与无定形SiO2纳米颗粒相互连接, 相间共存, 形成类似“砖块-水泥砂浆”砌成的孔壁, 这种独特的复合骨架结构赋予其很高的稳定性. 当一些SiO2纳米颗粒被去除之后, TEM观察显示, 孔壁内有密集分布的孔, 这些孔取向随机, 并在三维方向连通原孔道, 但介孔骨架结构仍保持其完整性. 墙内孔的大小范围很窄(3.1-4.3 nm), 平均大小为3.6 nm. 高分辨TEM观察显示, 锐钛矿晶粒大小与母体材料内的相比基本未变. 上述结果与XRD结果一致. 低温N2吸附表征结果显示, 母体样品内只有一种孔道, 孔径为4.0 nm. 去除部分SiO2后的样品内有两种孔道, 孔径分别是3.4和4.1 nm. 这些结果与TEM的观察吻合. 罗丹明B与亚甲基蓝在造孔前后样品内扩散速率评价结果显示, 其在三维连通孔道内的扩散速率很高, 大约是其母体材料内的5倍以上. 这表明相互连通的孔道网络结构非常有利于客体分子在其内扩散. 光催化降解性能评价结果显示, 罗丹明B与亚甲基蓝在相互连通孔道内降解的速率相当高, 分别是其在不连通孔道内的5.1和5.3倍. 这充分证明孔道三维相互连通对活性的大幅提高起了关键作用. 我们对材料的稳定性和重复使用性作了评价, 经过10次循环使用孔道三维相互连通锐钛矿TiO2-SiO2纳米复合介孔材料, 其吸附与光催化降解罗丹明B的性能变化不大. 这充分证明本文制备的孔道连通复合介孔材料的性能是相当稳定的和可重复使用的. 该方法可用于制备具有超高性能的孔道三维相互连通其它金属氧化物基介孔材料, 如Nb2O5, Ta2O5等.
English
Preparation of three-dimensional interconnected mesoporous anatase TiO2-SiO2 nanocomposites with high photocatalytic activities
-
-
[1] P. D. Yang, D. Y. Zhao, D. I. Margolese, B. F. Chmelka, G. D. Stucky, Nature, 1998, 396, 152-155.
-
[2] U. Bach, D. Lupo, P. Comte, J. E. Moser, F. Weissörtel, J. Salbeck, H. Spreitzer, M. Grätzel, Nature, 1998, 395, 583-585.
-
[3] M. Grätzel, Nature, 2001, 414, 338-344.
-
[4] R. Asahi, T. Morikawa, T. Ohwaki, K. Aoki, Y. Taga, Science, 2001, 293, 269-271.
-
[5] M. Wagemaker, A. P. M. Kentgens, F. M. Mulder, Nature, 2002, 418, 397-399.
-
[6] S. Wendt, P. T. Sprunger, E. Lira, G. K. H. Madsen, Z. S. Li, J. Ø. Hansen, J. Matthiesen, A. Blekinge-Rasmussen, E. Lægsgaard, B. Hammer, F. Besenbacher, Science, 2008, 320, 1755-1759.
-
[7] J. W. Lee, M. C. Orilall, S. C. Warren, M. Kamperman, F. J. Disalvo, U. Wiesner, Nat. Mater., 2008, 7, 222-228.
-
[8] I. Chung, B. H. Lee, J. Q. He, R. P. H. Chang, M. G. Kanatzidis, Nature, 2012, 485, 486-490.
-
[9] S. Y. Choi, B. Lee, D. B. Carew, M. Mamak, F. C. Peiris, S. Speakman, N. Chopra, G. A. Ozin, Adv. Funct. Mater., 2006, 16, 1731-1738.
-
[10] M. Seo, S. Kim, J. Oh, S. J. Kim, M. A. Hillmyer, J. Am. Chem. Soc., 2015, 137, 600-603.
-
[11] M. C. Orilall, U. Wiesner, Chem. Soc. Rev., 2011, 40, 520-535.
-
[12] R. K. Joshi, J. J. Schneider, Chem. Soc. Rev., 2012, 41, 5285-5312.
-
[13] T. Fröschl, U. Hörmann, P. Kubiak, G. Kučerova′, M. Pfanzelt, C. K. Weiss, R. J. Behm, N. Hüsing, U. Kaiser, K. Landfester, M. Wohlfahrt-Mehrens, Chem. Soc. Rev., 2012, 41, 5313-5360.
-
[14] Y. Q. Qu, X. F. Duan, Chem. Soc. Rev., 2013, 42, 2568-2580.
-
[15] P. Innocenzi, L. Malfatti, Chem. Soc. Rev., 2013, 42, 4198-4216.
-
[16] D. Gu, F. Schüth, Chem. Soc. Rev., 2014, 43, 313-344.
-
[17] X. B. Chen, S. S. Mao, Chem. Rev., 2007, 107, 2891-2959.
-
[18] X. B. Chen, S. H. Shen, L. J. Guo, S. S. Mao, Chem. Rev., 2010, 110, 6503-6570.
-
[19] S. Surnev, A. Fortunelli, F. P. Netzer, Chem. Rev., 2013, 113, 4314-4372.
-
[20] M. A. Henderson, I. Lyubinetsky, Chem. Rev., 2013, 113, 4428-4455.
-
[21] D. Fattakhova-Rohlfing, A. Zaleska, T. Bein, Chem. Rev., 2014, 114, 9487-9558.
-
[22] Z. F. Bian, J. Zhu, J. Wen, F. L. Cao, Y. N. Huo, X. F. Qian, Y. Cao, M. Q. Shen, H. X. Li, Y. F. Lu, Angew. Chem., Int. Ed., 2011, 50, 1105-1108.
-
[23] E. Pellicer, M. Cabo, E. Rossinyol, P. Solsona, S. Suriñach, M. D. Baró, J. Sort, Adv. Funct. Mater., 2013, 23, 900-911.
-
[24] W. Zhou, W. Li, J. Q. Wang, Y. Qu, Y. Yang, Y. Xie, K. F. Zhang, L. Wang, H. G. Fu, D. Y. Zhao, J. Am. Chem. Soc., 2014, 136, 9280-9283.
-
[25] B. C. Qiu, M. Y. Xing, J. L. Zhang, J. Am. Chem. Soc., 2014, 136, 5852-5855.
-
[26] J. K. Hwang, C. S. Jo, K. Y. Hur, J. Lim, S. S. Kim, J. W. Lee, J. Am. Chem. Soc., 2014, 136, 16066-16072.
-
[27] C. Jo, Y. Seo, K. Cho, J. Kim, H. S. Shin, M. Lee, J. C. Kim, S. O. Kim, J. Y. Lee, H. Ihee, R. Ryong, Angew. Chem. Int. Ed., 2014, 53, 5117-5121.
-
[28] Y. Z. Li, T. Kunitake, S. Fujikawa, J. Phys. Chem. B, 2006, 110, 13000-13004.
-
[29] H. Xie, Y. Z. Li, S. F. Jin, J. J. Han, X. J. Zhao, J. Phys. Chem. C, 2010, 114, 9706-9712.
-
[30] T. Wang, X. G. Meng, P. Li, S. X. Ouyang, K. Chang, G. G. Liu, Z. W. Mei, J. H. Ye, Nano Energy, 2014, 9, 50-60.
-
[31] K. K. Zhu, B. Yue, W. Z. Zhou, H. Y. He, Chem. Commun., 2003, 98-99.
-
[32] E. Rossinyol, J. Arbiol, F. Peiro, A. Cornet, J. R. Morante, B. Z. Tian, T. Bo, D. Y. Zhao, Sens. Actuators B, 2005, 109, 57-63.
-
[33] E. Rossinyol, A. Prim, E. Pellicer, J. Arbiol, F. Herna′ ndez-Ramı′ rez, F. Peiro, A. Cornet, J. R. Morante, L. A. Solovyov, B. Z. Tian, T. Bo, D. Y. Zhao, Adv. Funct. Mater., 2007, 17, 1801-1806.
-
[34] M. Zukalová, A. Zukal, L. Kavan, M. K. Nazeeruddin, P. Liska, M. Grätzel, Nano Lett., 2005, 5, 1789-1792.
-
[35] P. Shu, J. F. Ruan, C. B. Gao, H. C. Li, S. A. Che, Microporous Mesoporous Mater., 2009, 123, 314-323.
-
[36] M. A. Carreon, S. Y. Choi, M. Mamak, N. Chopra, G. A. Ozin, J. Mater. Chem., 2007, 17, 82-89.
-
[37] H. J. Snaith, L. Schmidt-Mende, Adv. Mater., 2007, 19, 3187-3200.
-
[38] B. Ohtani, Y. Ogawa, S.-I. Nishimoto, J. Phys. Chem. B, 1997, 101, 3746-3752.
-
[39] W. Y. Dong, Y. J. Sun, C. W. Lee, W. M. Hua, X. C. Lu, Y. F. Shi, S. C. Zhang, J. M. Chen, D. Y. Zhao, J. Am. Chem. Soc., 2007, 129, 13894-13904.
-
[40] W. Y. Dong, Y. J. Sun, W. M. Hua, Y. W. Yao, G. S. Zhuang, X. C. Lv, Q. W. Ma, D. Y. Zhao, Adv. Funct. Mater., 2016, 26, 964-976.
-
[41] W. Y. Dong, C. W. Lee, X. C. Lu, Y. J. Sun, W. M. Hua, G. S. Zhuang, S. C. Zhang, J. M. Chen, H. Q. Hou, D. Y. Zhao, Appl. Catal. B, 2010, 95, 197-207.
-
[42] W. Y. Dong, Y. J. Sun, Q. W. Ma, L. Zhu, W. M. Hua, X. C. Lu, G. S. Zhuang, S. C. Zhang, Z. G. Guo, D. Y. Zhao, J. Hazard. Mater., 2012, 229, 307-320.
-
[43] C. X. He, B. Z. Tian, J. L. Zhang, J. Colloid Interface Sci., 2010, 344, 382-389.
-
[44] V. T. Hoang, Q. L. Huang, M. Eić, T. O. Do, S. Kaliaguine, Langmuir, 2005, 21, 2051-2057.
-
-
扫一扫看文章
计量
- PDF下载量: 1
- 文章访问数: 666
- HTML全文浏览量: 118

下载: