基本信息
- 项目名称：
- 掺杂氧化钕的氧化钛相变以及其光催化分解罗丹明B的研究
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 本作品将进一步通过调变合成条件和修饰剂从而控制TiO2表面和体相晶相结构，并研究其内在控制晶相的机理。在此基础上将研究拓展到控制制备具有特殊表面晶相结构的纳米TiO2物催化剂，建立TiO2的表面晶相及组成与催化反应性能尤其是光催化反应性能之间的关联，从而达到有目的的设计、组装、合成纳米金属氧化物催化剂，进而为发展催化剂制备科学奠定基础
- 详细介绍：
- 以钛酸四丁酯和硝酸钕溶液为前驱体，采用共沉淀法制备了0.5 和3 wt% Nd2O3掺杂的TiO2光催化剂，用X射线衍射(XRD)、紫外拉曼光谱(UV Raman spectroscopy)和扫描电镜(SEM)对催化剂进行了表征。结果表明，通过简单改变Nd2O3的掺杂量可以调控TiO2体相和表面晶相结构及其组成，Nd2O3的加入还可以有效地抑制TiO2粒子的长大和烧结。相应XPS的结果表明，Nd3+没有进入TiO2的晶格之中，而是以氧化物形式分散于TiO2粒子表面或者团聚的TiO2粒子之间。此外，Nd3+的分散难易程度随着焙烧温度的升高而降低。Nd2O3对TiO2的表面修饰增强了Nd-TiO2样品表面锐钛矿晶相的热稳定性。 以罗丹明B为目标降解物考察了TiO2表面晶相对光催化活性的影响，发现对于相同表面晶相的Nd-TiO2样品来说，其活性的增加主要是由于具有很高的光诱导电荷分离率，较大的比表面积以及光吸收区的扩展。而当表面区为锐钛矿和金红石的混合晶相时，锐钛矿和金红石的协同作用有利于提高光催化活性。本文提供了一种简单方法来调控TiO2表面和体相的晶相结构及其组成，从而根据光催化反应的需要达到光催化剂制备技术的人为可控。
作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 本作品将进一步通过调变合成条件和修饰剂从而控制TiO2表面和体相晶相结构，并研究其内在控制晶相的机理。在此基础上将研究拓展到控制制备具有特殊表面晶相结构的纳米TiO2物催化剂，建立TiO2的表面晶相及组成与催化反应性能尤其是光催化反应性能之间的关联，从而达到有目的的设计、组装、合成纳米金属氧化物催化剂，进而为发展催化剂制备科学奠定基础。
科学性、先进性及独特之处
- 1）通过控制制备方法、条件和修饰剂，有意识合成具有特殊表面和体相晶相结构的催化剂，使其具有某些特性，为指导设计催化剂奠定基础； 2）提出通过调变修饰剂不仅可以在催化反应条件下稳定多晶相金属氧化物表面和体相晶相结构，同时能抑制纳米金属氧化物粒子团聚； 3）将紫外拉曼、可见拉曼光谱、XRD等方法相结合深入研究多晶相氧化物表面晶相结构，为多晶相氧化物制备及其在催化和材料领域应用提供理论基础；
应用价值和现实意义
- 该修饰方法对于纳米ZnO，TiO2和ZrO2具有良好的防团聚效果，同时又可以调控上述金属氧化物的晶相尤其是表面晶相结构，使其发挥优异的性能。目前纳米ZnO、TiO2的主流产品价格在1万8左右，如果能够解决分散性问题使其替代活性ZnO应用于脱硫剂，其价格将升至3万左右，而如能同时解决团聚，稳定表面晶相，吸收紫外线强度方面的问题应用于纳米防晒产品，其价格将升至20万左右。
学术论文摘要
- 以钛酸四丁酯和硝酸钕溶液为前驱体，采用共沉淀法制备了Nd-TiO2光催化剂，用XRD、UV Raman spectroscopy和SEM对催化剂进行了表征。结果表明，通过改变Nd2O3的掺杂量可以调控TiO2体相和表面晶相结构和组成，能有效地抑制TiO2粒子长大烧结。以罗丹明B为目标降解物考察TiO2表面晶相对光催化活性的影响，发现对于Nd-TiO2样品来说，其活性增加主要是由于具有高的光诱导电荷分离率，较大比表面积和光吸收区的扩展，锐钛矿和金红石的协同作用。本文提供一种简单方法来调控其表面和体相晶相结构及其组成，从而根据需要达到光催化剂制备技术的人为可控。
获奖情况
- 无
鉴定结果
- 无
参考文献
- [1] J. Zheng, Z. Liu, X. Liu, X. Yan, D. Li, W. Chu J. Alloys Compd. 509 (2011) 3771-3776. [2] S. Mahshida, M. Askaria, M. Sasani Ghamsarib, N. Afsharc, S. Lahutic, J. Alloys Compd. 478 (2009) 586–589.V. Puddu, H. Choi, D.D. Dionysiou, G.L. Puma, Appl. Catal. B: Environ. 94 (2010) 211–218. [3] L. Baia, L. Diamandescu, L. Barbu-Tudoran, A. Peter, G. Melinte, V. Danciu, M. Baia J. Alloys Compd. 509 (2011) 2672-2678. [4] Mst.S. Nahara, J. Zhang, K. Hasegawa, S. Kagaya, S. Kuroda, Mater. Sci. Semicond. Process. 12 (2009) 168-174. [5] K.V. Baiju, P. Periyat, P. Shajesh, W. Wunderlich, K.A. Manjumol, V.S. Smitha, K.B. Jaimy, K.G.K. Warrier J. Alloys Compd. 505 (2010) 194-200. [6] (a) T. Ohno, K. Sarukawa, M. Matsumura, J. Phys. Chem. B 105 (2001) 2417-2420; (b) Y. Sakatani, D. Grosso, L. Nicole, C. Boissiere, G. Soler-Illia, C. Sanchez, J. Mater. Chem. 16 (2006) 77-82.
同类课题研究水平概述
- 太阳能光催化分解水制氢是解决能源和环境问题的重要途径之一，是全世界科学界关注的科学难题。TiO2是一种性能优异的光催化材料, 在环境催化领域已有广泛应用，自从Fujishima报道TiO2的光催化活性之后[1]，TiO2由于其较好的稳定性和制备简单，无毒价廉，因此关于TiO2光催化剂的研究成为光催化研究的一个核心，一直受到国际催化界的关注。 一般认为TiO2的光催化活性和很多物理性质相关，比如晶粒大小，比表面积，表面羟基等，但是其晶相结构是影响光催化性能的最重要因素之一。在光催化反应中常使用锐钛矿和金红石这两种晶相。 虽然TiO2体相和表面的物理化学性质都影响其光催化活性，但是在光催化反应中表面性质更为重要。这是因为光激发产生的电子和空穴要迁移到催化剂表面上才能发生反应而且光催化反应中电子或者空穴是在表面上与吸附分子发生氧化－还原反应。虽然很多人研究了表面性质对光催化活性的影响，但是关于TiO2表面晶相与光催化反应性能的关联研究得还比较少。长期以来关于纳米TiO2光催化材料尤其实用粉末型TiO2纳米材料的表面晶相结构的研究一直是一个挑战性课题, 特别是将TiO2光催化剂表面晶相结构与光催化性能直接关联的研究尚无人过问报道, 成为光催化领域研究的一个难点。这主要是因为TiO2样品的物相结构常用XRD来表征，而XRD又是一种体相灵敏的技术。 紫外拉曼光谱相比于XRD和可见拉曼光谱是一种表面灵敏的技术，研究结果发现TiO2相变过程中体相和表面相变不同步，提出其相变是从相互接触的锐钛矿粒子的界面上开始的，然后逐渐扩展到整个团聚粒子。在此基础上，申请者所在的研究课题组以光催化分解水产氢为模型反应考察了具有不同表面晶相TiO2的光催化性能，发现TiO2光催化分解水产氢性能主要与其表面晶相有关。特别是TiO2表面区锐钛矿和体相金红石之间形成的半导体异质结即有利于提高光催化活性。 根据前述结果，为了提高光催化反应活性，在实际使用中就需要对TiO2的晶相进行调控以达到特定的晶相。研究表明，在纳米TiO2的制备中，通过掺杂特定的离子，可使TiO2具有某一方面的特性，以期达到特殊的用途[16-17]。对TiO2进行掺杂不仅可以影响TiO2从锐钛矿到金红石的相变，而且该方法操作简单、效果明显，并且由于可供掺杂的离子众多，使得这方面的研究受到了普遍的关注。
