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催化学报:首次揭示TiO2(B)纳米线表面优先型相变过程

催化学报:首次揭示TiO2(B)纳米线表面优先型相变过程

前言

2018年5月24日,《催化学报》在线发表了陕西师范大学马艺副教授团队在光催化领域的最新研究成果。该工作首次揭示了TiO2(B)表面优先型相变过程,并依此构建出具有TiO2(B)/锐钛矿异相结结构的高活性光催化剂。论文第一作者为:王奕岚;通讯作者为:马艺。

背景介绍

近年来, 随着光催化研究的逐渐深入, 人们发现有效的电荷分离往往是提高半导体光催化材料活性的关键步骤. 其中, 在多晶相半导体材料中构建异相结结构是提高其活性的最有效途径之一. 在TiO2四种稳定晶相中, TiO2(B)是发现最晚且研究较少的, 并且目前对它的研究主要集中于锂离子电池方面。 然而, 该材料特殊的晶相结构带来的各向异性和较大的比表面积都表明其在光催化领域同样具有潜在应用前景。

本文亮点

(1) 通过XRD衍射和UV-Raman光谱分别监测了TiO2(B)向锐钛矿转变的相变过程,依据其体相和表面相结构变化的不同步性,提出了TiO2(B)的表面优先型相变过程

(2) 依据相变过程的特殊性,构建了表面为锐钛矿,体相为TiO2(B)/锐钛矿异相结结构的高活性光催化剂,并提出表面锐钛矿相的高反应活性和体相异相结结构的高电荷分离性能是光催化活性提高的主要原因

研究思路

构建异相结结构是促进半导体光催化剂电荷分离的有效手段,而通过相变过程构建该结构具有明显优势,如其结构稳定性高、两相界面连续性好等优点,从而具有更佳的电荷分离性能。因此,材料相变过程的明晰是构建异相结结构的基础。本文采用三步法合成纯相TiO2(B)纳米纤维,通过XRD衍射和UV-Raman光谱分别监测了TiO2(B)向锐钛矿转变的相变过程,发现其表面先于体相进行相变,并依此构建出具有锐钛矿表面和混相体相结构的高活性光催化剂。

图文解析

催化学报:首次揭示TiO2(B)纳米线表面优先型相变过程

图1. 不同温度下焙烧样品的(a)XRD衍射,(b)UV-Raman光谱(HT-TT表示焙烧温度)。

要点:采用XRD衍射和UV-Raman光谱分别监测样品随温度相变过程的体相结构和表面相结构变化,结果表明样品在700oC完成体相相变,而在610oC完成表面相相变。

催化学报:首次揭示TiO2(B)纳米线表面优先型相变过程

图2. 不同温度焙烧样品的扫描电镜图:(a) HT–400, (b) HT–525, (c) HT–575, (d) HT–600, (e) HT–610, (f) HT–650, (g) HT–700。

要点:样品随温度升高,结构不断坍缩,由较松散结构的TiO2(B)纤维逐步发生劈裂变为结构紧密的锐钛矿。

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图3TiO2(B)纳米纤维相变示意图(a)表面相过程,(b)体相过程

要点:依据XRD、UV-Raman数据给出相变示意图,由图可知,表面相在610oC时,即完成相变过程,完全转化为锐钛矿,而体相在700oC时完成相变,说明TiO2(B)纳米纤维的相变过程优先从表面开始。

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图4HT-T系列催化剂的(a),(b)光催化产氢性能;HT-610样品在不同牺牲试剂条件下的产氢性能(c)及稳定性测试(d)

要点:HT-610催化剂具有最优的产氢性能,其中以乙醇为牺牲试剂时性能最佳,且具有较好的稳定性。

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图5.HT-T系列催化剂对RhB的降解性能(a),(b)和(c);(d)活性物种鉴别实验;(d)HT-610催化剂稳定性实验

要点:HT-610催化剂具有最优的RhB降解性能,其反应的主要活性物种为光生空穴,并且反应4次以上仍能保持较高的降解效率。

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图6.HT-T系列催化剂的光电测试(a),电化学阻抗(b)及代表性样品HT-400,HT-610及HT-700的荧光光谱。

要点:电荷动力学相关表征表明,HT-610样品具有最优的电荷传输及抑制光生载流子复合的能力,因此具有最好的光催化活性。

全文小结

1. 采用XRD和UV-Raman技术监测了TiO2(B)向锐钛矿转变的相变过程,观测到在高温下TiO2(B)纳米纤维表面部分结构发生坍塌劈裂,从而引起相变,根据体相与表面相结构变化的不同步性,提出了表面优先型相变过程

2. 根据材料相变过程的特殊性,构建了表面为锐钛矿,体相为TiO2(B)/锐钛矿异相结结构的光催化材料,在光催化产氢及降解污染物反应中均表现出优秀的催化活性。

3. 光电测试、电化学阻抗以及稳态荧光光谱表明,具有异相结结构的材料在促进电子空穴分离,界面传输,以及抑制光生载流子复合方面均具有优良表现,这些特性促使该材料成为一种优秀的光催化剂。

作者介绍

催化学报:首次揭示TiO2(B)纳米线表面优先型相变过程

马艺,陕西师范大学化学化工学院副教授。主要研究方向为:无机纳米材料在光催化光电催化领域的应用。2013年获中国科学院大连化学物理研究所博士学位,师从李灿院士,期间主要从事二氧化钛材料在光催化能源领域的应用,包括金红石/锐钛矿异相结构建及表面助催化剂修饰等方面。2013年至2014年赴荷兰埃因霍温工业大学Emiel J. M. Hensen教授研究组从事博士后工作,主要研究可见光下铜基复合氧化物材料在光催化及光电催化领域的应用。2015年进入陕西师范大学化学化工学院工作。目前已在Chemical Reviews,Energy & Environmental Science,Physical Chemistry Chemical Physics等国际一流期刊上发表论文20余篇,单篇最高引用达781次。

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