一种将三价钛引入锐钛型二氧化钛的新方法:用于有效的光催化产氢

doi:10.1016/S1872-2067(17)62968-1

催化学报 ›› 2018, Vol. 39 ›› Issue (3): 510-516.DOI: 10.1016/S1872-2067(17)62968-1

一种将三价钛引入锐钛型二氧化钛的新方法:用于有效的光催化产氢

位顺航^a, 倪爽^b, 徐晓翔^a

a 同济大学化学科学与工程学院, 上海市化学品分析、风险评估与控制重点实验室, 上海 200092;
b 中国工程物理研究院, 激光聚变研究中心, 等离子体物理国家重点实验室, 四川绵阳 621900

收稿日期:2017-09-28 修回日期:2017-10-30 出版日期:2018-03-18 发布日期:2018-03-10
通讯作者: 倪爽, 徐晓翔
基金资助:
国家自然科学基金青年科学基金（21401142）；国家千人计划；上海市科委（14DZ2261100）.

A new approach to inducing Ti³⁺ in anatase TiO₂ for efficient photocatalytic hydrogen production

Shunhang Wei^a, Shuang Ni^b, Xiaoxiang Xu^a

a Shanghai Key Lab of Chemical Assessment and Sustainability, School of Chemical Science and Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China;
b Science and Technology on Plasma Physics Laboratory, Laser Fusion Research Center, China Academy of Engineering Physics, Mianyang 621900, Sichuan, China

Received:2017-09-28 Revised:2017-10-30 Online:2018-03-18 Published:2018-03-10
Contact: 10.1016/S1872-2067(17)62968-1
Supported by:
This work was supported by the National Natural Science Foundation of China (21401142), Recruitment Program of Global Youth Experts (1000 plan), and Science & Technology Commission of Shanghai Municipality (14DZ2261100).

摘要/Abstract

摘要：

伴随着科技的日益进步，人们的生活水平有了极大的提升，但是随之而来的环境污染问题也成为当前世界亟待解决的重大问题之一.太阳能是地球上最大的清洁能源来源，有效地利用太阳能将为解决环境污染问题提供巨大的帮助.而光催化技术的一个关键材料就是催化剂，催化剂对太阳能利用的好坏也就决定了光催化技术的应用前景.因此，人们对催化剂的研究也在逐步深入.1972年，Fuiishima和Honda在Nature杂志上首次报道了二氧化钛电极在紫外光照射下分解水产生氢气的现象，自此掀起了半导体光催化的研究热潮.
二氧化钛因具有无毒、廉价和耐腐蚀等优点而在光催化领域广受关注.传统白色二氧化钛具有两大劣势（宽的禁带宽度与高的电子/空穴复合率）大大限制了它的应用.人们对于改变二氧化钛性质进行了大量的尝试，例如金属/非金属掺杂、形貌的改变等.黑色二氧化钛（存在大量的氧空位和三价钛）的出现极大地克服了传统白色二氧化钛的缺点，其具有窄的禁带宽度和低的电子/空穴复合速度.目前，黑色二氧化钛的制备方法大致分为以下几种：（1）高压下氢化；（2）高温常压下氢化；（3）铝热还原法；（4）溶液蒸发法；（5）化学氧化法；（6）电化学还原等.由于更简单安全（不涉及氢气使用）和更好的可见光光催化活性，三价钛自掺杂的二氧化钛从这些方法中脱颖而出.迄今为止，诱导三价钛的方法通常是能量密集型的，涉及不稳定的Ti原料（如TiO和TiH₂）.研究用于制备三价钛自掺杂二氧化钛的新方法是十分必要的.
我们以稳定的钛粉为原料，通过简单的方法将三价钛和氧空位成功地引入锐钛型二氧化钛.通过X射线衍射、场致发射扫描电子显微镜等技术研究了制备样品的物理化学性质，发现H₂O₂和水热反应时间对纳米棒型微观形貌的形成至关重要.通过调整诸如H₂O₂量和水热反应时间的参数，根据实验结果提出了形成这种微观结构的可能机制.更重要的是，可见光区域的光吸收受到样品中氧空位量的控制，存在氧空位的最佳值使光催化产氢活性最高.

关键词: 三价钛, 氧空位, 二氧化钛, 光催化剂, 产氢

Abstract:

Ti³⁺ species and oxygen vacancies were successfully introduced into anatase TiO₂ by a simple method. The physicochemical properties of the as-prepared samples were explored by techniques including X-ray diffraction and field emission scanning electron microscopy. The amount of H₂O₂ precursor and hydrothermal reaction time were found to affect the formation of the TiO₂ nanorod-type microstructure. Possible mechanisms for the formation of this microstructure are proposed on the basis of analytical results, including electron paramagnetic resonance, where parameters such as the amount of H₂O₂ and hydrothermal reaction time were adjusted. More importantly, light absorption in the visible light region was strongly affected by the number of oxygen vacancies within the samples. The oxygen vacancy content featured an optimal level for producing the highest photocatalytic hydrogen production activity.

Key words: Ti³⁺, Oxygen vacancy, TiO₂, Photocatalyst, Hydrogen production

位顺航, 倪爽, 徐晓翔. 一种将三价钛引入锐钛型二氧化钛的新方法:用于有效的光催化产氢[J]. 催化学报, 2018, 39(3): 510-516.

Shunhang Wei, Shuang Ni, Xiaoxiang Xu. A new approach to inducing Ti³⁺ in anatase TiO₂ for efficient photocatalytic hydrogen production[J]. Chinese Journal of Catalysis, 2018, 39(3): 510-516.

×
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)62968-1

https://www.cjcatal.com/CN/Y2018/V39/I3/510

参考文献

[1] Z. G. Zou, J. H. Ye, K. Sayama, H. Arakawa, Nature, 2001, 414, 625-627.
[2] M. Gratzel, Nature, 2001, 414, 338-344.
[3] X. X. Xu, C. Randorn, P. Efstathiou, J. T. S. Irvine, Nature Mater., 2012, 11, 595-598.
[4] C. Xue, H. An, X. Q. Yan, J. L. Li, B. L. Yang, J. J. Wei, G. D. Yang, Nano Energy, 2017, 39, 513-523.
[5] B. Lin, H. An, X. Q. Yan, T. X. Zhang, J. J. Wei, G. D. Yang, Appl. Catal. B, 2017, 210, 173-183.
[6] B. Lin, H. Li, H. An, W. B. Hao, J. J. Wei, Y. Z. Dai, C. S. Ma, G. D. Yang, Appl. Catal. B, 2018, 220, 542-552.
[7] X. B. Chen, S. H. Shen, L. J. Guo, S. S. Mao, Chem. Rev., 2010, 110, 6503-6570.
[8] L. Liu, X. B. Chen, Chem. Rev., 2014, 114, 9890-9918.
[9] S. H. Wei, R. Wu, J. K. Jian, F. J. Chen, Y. F. Sun, Dalton Trans., 2015, 44, 1534-1538.
[10] H. Irie, Y. Watanabe, K. Hashimoto, Chem. Lett., 2003, 32, 772-773.
[11] J. C. Yu, J. G. Yu, W. K. Ho, Z. T. Jiang, L. Z. Zhang, Chem. Mater., 2002, 14, 3808-3816.
[12] T. Ohno, M. Akiyoshi, T. Umebayashi, K. Asai, T. Mitsui, M. Matsumura, Appl. Catal. A, 2004, 265, 115-121.
[13] H. Irie, Y. Watanabe, K. Hashimoto, J. Phys. Chem. B, 2003, 107, 5483-5486.
[14] X. B. Chen, L. Liu, P. Y. Yu, S. S. Mao, Science, 2011, 331, 746-750.
[15] 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, Adv. Funct. Mater., 2013, 23, 5444-5450.
[16] 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.
[17] X. Liu, S. M. Gao, H. Xu, Z. Z. Lou, W. J. Wang, B. B. Huang, Y. Dai, Nanoscale, 2013, 5, 1870-1875.
[18] C. Xu, Y. Song, L. F. Lu, C. W. Cheng, D. F. Liu, X. H. Fang, X. Y. Chen, X. F. Zhu, D. D. Li, Nanoscale Res. Lett., 2013, 8, 391/1-391/7.
[19] Z. X. Pei, L. Y. Ding, H. Lin, S. X. Weng, Z. Y. Zheng, Y. D. Hou, P. Liu, J. Mater. Chem. A, 2013, 1, 10099-10102.
[20] H. M. Chen, Y. H. Xie, X. Q. Sun, M. L. Lv, F. F. Wu, L. Zhang, L. Li, X. X. Xu, Dalton Trans., 2015, 44, 13030-13039.
[21] C. Y. Xu, P. X. Zhang, L. Yan, J. Raman Spectrosc., 2001, 32, 862-865.
[22] H. L. Cui, W. Zhao, C. Y. Yang, H. Yin, T. Q. Lin, Y. F. Shan, Y. Xie, H. Gu, F. Q. Huang, J. Mater. Chem. A, 2014, 2, 8612-8616.
[23] L. B. Xiong, J. L. Li, B. Yang, Y. Yu, J. Nanomater., 2012, 831524/1-831524/13.
[24] S. H. Wei, R. Wu, X. X. Xu, J. K. Jian, H. X. Wang, Y. F. Sun, Chem. Eng. J., 2016, 299, 120-125.
[25] S. Zhang, L. M. Peng, Q. Chen, G. H. Du, G. Dawson, W. Z. Zhou, Phys. Rev. Lett., 2003, 91, 256103/1-256103/4.
[26] H. Pan, Y. W. Zhang, V. B. Shenoy, H. J. Gao, J. Phys. Chem. C, 2011, 115, 12224-12231.
[27] D. C. Cronemeyer, Phys. Rev., 1959, 113, 1222-1226.
[28] D. C. Cronemeyer, M. A. Gilleo, Phys. Rev., 1951, 82, 975-976.
[29] I. Justicia, P. Ordejon, G. Canto, J. L. Mozos, J. Fraxedas, G. A. Battiston, R. Gerbasi, A. Figueras, Adv. Mater., 2002, 14, 1399-1402.
[30] F. Zuo, L. Wang, T. Wu, Z. Y. Zhang, D. Borchardt, P. Y. Feng, J. Am. Chem. Soc., 2010, 132, 11856-11857.
[31] A. Naldoni, M. Allieta, S. Santangelo, M. Marelli, F. Fabbri, S. Cappelli, C. L. Bianchi, R. Psaro, V. Dal Santo, J. Am. Chem. Soc., 2012, 134, 7600-7603

一种将三价钛引入锐钛型二氧化钛的新方法:用于有效的光催化产氢

A new approach to inducing Ti³⁺ in anatase TiO₂ for efficient photocatalytic hydrogen production

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]	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.
[3]	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.
[4]	乔秀清, 李晨, 王紫昭, 侯东芳, 李东升. TiO_2-_x@C/MoO₂肖特基结: 合理设计及高效电荷分离提升光催化性能[J]. 催化学报, 2023, 51(8): 66-79.
[5]	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.
[6]	刘德法, 孙彬, 白硕杰, 高婷婷, 周国伟. 双助催化剂Ag/Ti₃C₂/TiO₂分层花状微球用于增强光催化产氢活性[J]. 催化学报, 2023, 50(7): 273-283.
[7]	Mengistu Tulu Gonfa, 申升, 陈浪, 胡彪, 周威, 白张君, 区泽堂, 尹双凤. 光催化苯制苯酚的研究进展[J]. 催化学报, 2023, 49(6): 16-41.
[8]	宋昕杰, 范世鹏, 蔡泽华, 杨洲, 陈旬, 付贤智, 戴文新. Cu/CeO₂上可见光辅助热催化合成NH₃: H₂O存在下NO通过CO还原的途径[J]. 催化学报, 2023, 49(6): 168-179.
[9]	李宁, 高雪云, 苏俊珲, 高旸钦, 戈磊. 类金属WO₂/g-C₃N₄复合光催化剂的构造及其优异的光催化性能[J]. 催化学报, 2023, 47(4): 161-170.
[10]	解志鹏, 杨修贝, 张沛, 柯夏婷, 袁昕, 翟黎鹏, 王文滨, 秦娜, 崔乘幸, 屈凌波, 陈雄. 具有可控载流子动力学的烯烃连接的共价有机框架用于高效太阳能光催化制氢[J]. 催化学报, 2023, 47(4): 171-180.
[11]	曾严, 王慧, 杨惠茹, 隽超, 李丹, 温晓东, 张帆, 邹吉军, 彭冲, 胡常伟. 镍纳米粒子耦合氧空位高效催化转化棕榈酸制备烷烃[J]. 催化学报, 2023, 47(4): 229-242.
[12]	王珂然, 罗磊, 王超, 唐军旺. 双反应位点共修饰WO₃光催化活化甲烷[J]. 催化学报, 2023, 46(3): 103-112.
[13]	张志洁, 王雪盛, 唐慧玲, 李德本, 徐家跃. 调控Cs₃Bi₂Br₉@V_O-In₂O₃ S型异质结的费米能级和内建电场促进光生电荷分离和二氧化碳还原[J]. 催化学报, 2023, 55(12): 227-240.
[14]	王伟康, 梅少斌, 蒋浩朋, 王乐乐, 唐华, 刘芹芹. 二氧化钛基S型异质结光催化剂的研究进展[J]. 催化学报, 2023, 55(12): 137-158.
[15]	朱可涵, 蒋海凤, 陈高锋, 吴昊, 丁良鑫, 王海辉. 耦合氨氧化和水还原反应实现电化学共合成硝酸盐和氢气[J]. 催化学报, 2023, 55(12): 216-226.

一种将三价钛引入锐钛型二氧化钛的新方法:用于有效的光催化产氢

A new approach to inducing Ti3+ in anatase TiO2 for efficient photocatalytic hydrogen production

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

A new approach to inducing Ti³⁺ in anatase TiO₂ for efficient photocatalytic hydrogen production