具有高光催化活性的介孔单晶TiO2薄膜的制备

doi:10.1016/S1872-2067(17)62980-2

催化学报 ›› 2018, Vol. 39 ›› Issue (4): 639-645.DOI: 10.1016/S1872-2067(17)62980-2

具有高光催化活性的介孔单晶TiO₂薄膜的制备

凌丽丽, 刘龙飞, 冯亚伟, 朱建, 卞振锋

上海师范大学, 资源化学教育部重点实验室, 上海 200234

收稿日期:2017-11-30 修回日期:2017-12-13 出版日期:2018-04-18 发布日期:2018-04-08
通讯作者: 卞振锋
基金资助:
国家自然科学基金（21237003，21407106，21522703，213377088）；上海市政府（14ZR1430800，13SG44，15520711300）；国际资源化学联合实验室（IJLRC）；中国教育部（PCSIRT_IRT_16R49）；上海市高等学校特聘教授项目（东方学者）；上海市教委曙光计划等项目.

Synthesis of TiO₂ mesocrystal film with enhanced photocatalytic activity

Lili Ling, Longfei Liu, Yawei Feng, Jian Zhu, Zhenfeng Bian

Education Ministry Key and International Joint Lab of Resource Chemistry and Shanghai Key Lab of Rare Earth Functional Materials, Shanghai Normal University, Shanghai 200234, China

Received:2017-11-30 Revised:2017-12-13 Online:2018-04-18 Published:2018-04-08
Contact: 10.1016/S1872-2067(17)62980-2
Supported by:
This work was supported by the National Natural Science Foundation of China (21237003, 21407106, 21522703, 21377088), Shanghai Government (14ZR1430800, 13SG44, 15520711300), International Joint Laboratory on Resource Chemistry (IJLRC), and Ministry of Education of China (PCSIRT_IRT_16R49), the Program for Professor of Special Appointment (Eastern Scholar) at Shanghai Institutions of Higher Learning and Shuguang Research Program of Shanghai Education Committee.

摘要/Abstract

摘要：

光催化技术在常温下能够直接利用太阳能来驱动反应，已成为一种理想的环境污染治理和洁净能源生产技术.但是比较多的限制条件阻碍了光催化发展和实际应用，如何有效解决这些限制因素成为光催化技术走向工业化应用必须解决的问题.目前光催化材料研究存在的问题主要包括：（1）研究工作主要集中的粉体催化剂存在分离困难、难以重复利用的缺点，开发与基底结合牢固的薄膜材料是十分必要的；（2）光催化材料本身的光响应范围影响光催化材料的应用，拓宽催化剂材料的光吸收范围是亟待解决的；（3）光生电子和空穴的复合问题是影响光催化剂催化活性的主要因素之一，很多方法被用来阻止电子-空穴对的复合，如：金属和非金属的掺杂、贵金属修饰、异质结、新型催化剂结构的设计等，如何设计促进催化剂光生电子和空穴的分离成为光催化技术应用的重要问题.
介孔单晶TiO₂通过自组装的方法被制备，成为TiO₂的一种新结构材料.介孔单晶TiO₂结合了介孔材料的大比表面积、单晶材料的电荷传输快等优点，对于光催化性能有了很大的提高.目前介孔单晶TiO₂主要是以粉体的形式存在，但是粉体TiO₂的应用受到多方面的影响，如：难回收不易重复利用，与电催化结合难，不能借助电催化提高电荷分离效率等.TiO₂薄膜能够解决粉体的不足，近年来，TiO₂光催化薄膜得到广泛的研究，TiO₂薄膜的制备方法很多，主要有液相制备方法、物理气相沉积法、化学气相沉积法、电化学方法、溅射法等.TiO₂薄膜主要是以纳米颗粒的形式沉积在基底上，并且多为多晶和无定形.而对于介孔单晶TiO₂薄膜的制备和研究还没有报道.我们通过直接焙烧一步法制备了介孔单晶TiO₂薄膜，并对TiO₂薄膜的生长情况、表面结构、TiO₂晶相和晶体完整程度的变化对性能的影响进行了研究.通过调变Ti与F的比例和煅烧温度，研究不同的制备条件对其性能的影响，从而制备高活性TiO₂薄膜.为了进一步提高介孔单晶TiO₂薄膜的活性和拓展其吸收光谱范围，使用高温热解自组装技术一步法制备了贵金属Au负载的介孔单价TiO₂薄膜，Au纳米颗粒跟TiO₂有较好的结合度.在可见光照射下，Au/TiO₂异质结构中Au表面由等离子体共振效应产生的活泼电子会注入TiO₂导带，使光生电子和空穴得到分离；同时Au具有特殊的可见光等离子体共振效应能显著改善TiO₂类宽带隙半导体的可见光响应性能.实验用还原Cr（VI）作为探针反应，考察不同Au含量对光催化性能的影响.

关键词: 介孔单晶TiO₂薄膜, 光催化, 制氢, 六价铬还原

Abstract:

TiO₂ mesocrystals can considerably enhance charge separation owing to their oriented superstructures, with fewer internal defects and porous properties providing more active sites. In this work, we prepared TiO₂ mesocrystal films by a direct annealing method. The morphology and crystal phase of the film were controlled by adjusting the ratio of NH₄F and the calcination temperature. Moreover, we found that Au nanoparticles loaded on a TiO₂ mesocrystal film enabled highly efficient visible light photocatalytic properties. The photocatalytic activities were studied by hydrogen generation and photoreduction of Cr(VI). This work represents a considerable advance in the development and application of the TiO₂ mesocrystals.

Key words: TiO₂ mesocrystals film, Photocatalysis, Hydrogen generation, Cr(VI) reduction

凌丽丽, 刘龙飞, 冯亚伟, 朱建, 卞振锋. 具有高光催化活性的介孔单晶TiO₂薄膜的制备[J]. 催化学报, 2018, 39(4): 639-645.

Lili Ling, Longfei Liu, Yawei Feng, Jian Zhu, Zhenfeng Bian. Synthesis of TiO₂ mesocrystal film with enhanced photocatalytic activity[J]. Chinese Journal of Catalysis, 2018, 39(4): 639-645.

×
扫码分享

导出引用管理器 EndNote|Ris|BibTeX

链接本文: https://www.cjcatal.com/CN/10.1016/S1872-2067(17)62980-2

https://www.cjcatal.com/CN/Y2018/V39/I4/639

参考文献

[1] A. Fujishima, T. N. Rao, D. A. Tryk, J. Photochem. Photobiol. C, 2000, 1, 1-21.
[2] J. W. Chen, J. W. Shi, X. Wang, H. J. Cui, M. L. Fu, Chin. J. Catal., 2013, 34, 621-640.
[3] Z. F. Bian, J. Zhu, H. X. Li, J. Photochem. Photobiol. C, 2016, 28, 72-86.
[4] Z. F. Bian, F. L. Cao, J. Zhu, H. X. Li, Environ. Sci. Technol., 2015, 49, 2418-2424.
[5] P. Swarnakar, S. R. Kanel, D. Nepal, Y. T. Jiang, H. Y. Jia, L. Kerr, M. N. Goltz, J. Levy, J. Rakovan, Sol. Energy, 2013, 88, 242-249.
[6] N. Yamada, T. Hitosugi, N. L. H. Hoang, Y. Furubayashi, Y. Hirose, S. Konuma, T. Shimada, T. Hasegawa, Thin Solid Films, 2008, 516, 5754-5757.
[7] X. F. Chen, J. Zhang, Y. N. Huo, H. X. Li, Chin. J. Catal., 2013, 34, 949-955.
[8] J. G. Yu, G. P. Dai, B. Cheng, J. Phys. Chem. C, 2010, 114, 19378-19385.
[9] W. T. Sun, Y. Yu, H. Y. Pan, X. F. Gao, Q. Chen, L. M. Peng, J. Am. Chem. Soc., 2008, 130, 1124-1125.
[10] A. Sarkar, A. K. Singh, D. Sarkar, G. G. Khan, K. Mandal, ACS Sustainable Chem. Eng., 2015, 3, 2254-2263.
[11] S. L. Feng, J. Y. Yang, H. Zhu, M. Liu, J. S. Zhang, J. Wu, J. Y. Wan, J. Am. Ceram. Soc., 2011, 94, 310-315.
[12] D. V. Bavykin, J. M. Friedrich, F. C. Walsh, Adv. Mater., 2006, 18, 2807-2824.
[13] X. B. Chen, S. S. Mao, Chem. Rev, 2007, 107, 2891-2959.
[14] W. Q. Fang, X. Q. Gong, H. G. Yang, J. Phys. Chem. Lett., 2011, 2, 725-734.
[15] K. Nakata, A. Fujishima, J. Photochem. Photobiol. C, 2012, 13, 169-189.
[16] J. Y. Feng, M. C. Yin, Z. Q. Wang, S. C. Yan, L. J. Wan, Z. S. Li, Z. Q. Zou, CrystEngComm, 2010, 12, 3425-3429.
[17] 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.
[18] Z. F. Bian, T. Tachikawa, W. Kim, W. Choi, T. Majima, J. Phys. Chem. C, 2012, 116, 25444-25453.
[19] Z. F. Bian, T. Tachikawa, T. Majima, J. Phys. Chem. Lett., 2012, 3, 1422-1427.
[20] J. M. Yang, Z. P. Qi, Y. S. Kang, Q. Liu, W. L. Sun, Chin. Chem. Lett., 2016, 27, 492-496.
[21] Z. F. Bian, T. Tachikawa, P. Zhang, M. Fujitsuka, T. Majima, J. Am. Chem. Soc., 2014, 136, 458-465.
[22] F. F. Chen, F. L. Cao, H. X. Li, Z. F. Bian, Langmuir, 2015, 31, 3494-3499.
[23] X. C. Wang, J. C. Yu, C. M. Ho, Y. D. Hou, X. Z. Fu, Langmuir, 2005, 21, 2552-2559.
[24] S. W. Liu, J. G. Yu, M. Jaroniec, Chem. Mater., 2011, 23, 4085-4093.
[25] J. Li, Y. Xu, W. Yue, Y. Chen, S. Wang, Chin. Chem. Lett., 2016, 27, 867-870.
[26] P. Roy, S. Berger, P. Schmuki, Angew. Chem. Int. Ed., 2011, 50, 2904-2939.
[27] G. H. Tian, Y. J. Chen, W. Zhou, K. Pan, C. G. Tian, X. R. Huang, H. G. Fu, CrystEngComm, 2011, 13, 2994-3000.
[28] W. Zhou, F. F. Sun, K. Pan, G. H. Tian, B. J. Jiang, Z. Y. Ren, C. G. Tian, H. G. Fu, Adv. Funct. Mater., 2011, 21, 1922-1930.
[29] W. Li, Z. X. Wu, J. X. Wang, A. A. Elzatahry, D. Y. Zhao, Chem. Mater., 2014, 26, 287-298.
[30] P. K. Jain, X. H. Huang, I. H. El-Sayed, M. A. El-Sayed, Acc. Chem. Res., 2008, 41, 1578-1586.
[31] H. X. Li, Z. F. Bian, J. Zhu, Y. N. Huo, H. Li, Y. F. Lu, J. Am. Chem. Soc., 2007, 129, 4538-4539.
[32] Y. L. Li, Y. Y. Bian, H. X. Qin, Y. X. Zhang, Z. F. Bian, Appl. Catal. B, 2017, 206, 293-299.

具有高光催化活性的介孔单晶TiO₂薄膜的制备

Synthesis of TiO₂ mesocrystal film with enhanced photocatalytic activity

PDF

Supporting Information

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

扫码分享

参考文献

相关文章 15

编辑推荐

Metrics

[1]	赵彬彬, 钟威, 陈峰, 王苹, 别传彪, 余火根. 高晶化g-C₃N₄光催化剂: 合成、结构调控和光催化产氢[J]. 催化学报, 2023, 52(9): 127-143.
[2]	唐小龙, 李锋, 李方, 江燕斌, 余长林. 单原子催化剂在光催化和电催化合成过氧化氢中的研究进展[J]. 催化学报, 2023, 52(9): 79-98.
[3]	蔡铭洁, 刘艳萍, 董珂欣, 陈晓波, 李世杰. 漂浮型Bi₂WO₆/C₃N₄/碳布S型异质结光催化材料用于高效净化水体环境[J]. 催化学报, 2023, 52(9): 239-251.
[4]	王思恺, 闵祥婷, 乔波涛, 颜宁, 张涛. 单原子催化: 追寻催化领域的“圣杯”[J]. 催化学报, 2023, 52(9): 1-13.
[5]	江梓聪, 程蓓, 张留洋, 张振翼, 别传彪. 氧化锌基梯型异质结光催化剂[J]. 催化学报, 2023, 52(9): 32-49.
[6]	刘博文, 蔡家杰, 张建军, 谭海燕, 程蓓, 许景三. MOF/CdS梯型光催化剂同时进行苯甲醇氧化和析氢反应及其机理研究[J]. 催化学报, 2023, 51(8): 204-215.
[7]	乔蔚, 于立策, 常进法, 杨甫林, 冯立纲. MoSe₂纳米片耦合Pt纳米颗粒用于高效双功能催化甲醇辅助水电解制氢[J]. 催化学报, 2023, 51(8): 113-123.
[8]	宋明明, 宋相海, 刘鑫, 周伟强, 霍鹏伟. ZnIn₂S₄/MOF-808微球结构S型异质结光催化剂的制备及其光还原CO₂性能研究[J]. 催化学报, 2023, 51(8): 180-192.
[9]	邵秀丽, 李可, 李静萍, 程强, 王国宏, 王楷. 揭示NiS@Ta₂O₅纳米纤维中梯型电荷转移路径及光催化CO₂转化性能[J]. 催化学报, 2023, 51(8): 193-203.
[10]	李嘉明, 李源, 王小田, 杨直雄, 张高科. TiO₂上原子分散的Fe位点促进光催化CO₂还原: 增强的催化活性、 DFT计算和机制洞察[J]. 催化学报, 2023, 51(8): 145-156.
[11]	阎菲, 张由子, 刘思碧, 邹睿卿, Jahan B Ghasemi, 李炫华. 供体-受体型卟啉基金属有机框架实现有效电荷分离高效光催化析氢[J]. 催化学报, 2023, 51(8): 124-134.
[12]	孙利娟, 王伟康, 路平, 刘芹芹, 王乐乐, 唐华. 纳米高熵合金实现光催化剂肖特基势垒的调控用于光催化制氢与苯甲醇氧化耦合反应[J]. 催化学报, 2023, 51(8): 90-100.
[13]	刘海峰, 黄祥, 陈加藏. 电子态调控促进氢气无损耗纯化中CO的光致富集和氧化[J]. 催化学报, 2023, 51(8): 49-54.
[14]	袁鑫, 范海滨, 刘杰, 覃龙州, 王剑, 段秀, 邱江凯, 郭凯. 连续流技术在光氧化还原催化转化的最新进展[J]. 催化学报, 2023, 50(7): 175-194.
[15]	余治晗, 关晨, 岳晓阳, 向全军. 碳环渗入的结晶氮化碳S型同质结及其光催化析氢[J]. 催化学报, 2023, 50(7): 361-371.