乙酰丙酮修饰TiO_2的合成及其光催化性能研究

【摘要】：纳米TiO_2因其廉价、无毒、良好的热稳定性和化学稳定性、比表面积高、光生空穴氧化能力强等独特的物理化学性质,已成为环境光催化领域中使用最广泛的多相光催化剂。但是,TiO_2的光催化活性只能被紫外光激发并且在光催化过程中光生载流子的复合率较高,导致其对太阳光的高效利用和实用化都受到了限制。为应对上述问题,本文采用乙酰丙酮对TiO_2进行表面吸附修饰,旨在拓展TiO_2的可见光吸收范围并提升其光量子利用效率,主要研究工作如下所示:(1)以硫酸氧钛为钛源,通过简单的浸渍-焙烧法得到了一系列具有表面碳物种和表面氧空位缺陷的纳米TiO_2光催化剂。乙酰丙酮的修饰导致了TiO_2表面氧空位缺陷的增加,同时残余的炭化的碳物种对TiO_2形成了表面修饰。两者的协同作用一方面导致了TiO_2禁带宽度缩减、扩大了光响应范围,另一方面促进了光生载流子的分离。此外,表面碳物种还通过光敏化途径进一步增强了可见光催化活性。所得催化剂对苯酚和甲基橙均表现出较高的光催化降解活性。此外,光生空穴(h~+)是降解过程中的主要活性物种。(2)采用原位合成法制备了乙酰丙酮原位修饰TiO_2(TA-400)。研究表明,乙酰丙酮的加入不仅能导致缺陷,甚至极大地改变了TiO_2的形貌特征,出现了大量无定型相。通过400℃的热处理,样品TA-400中形成了类碳酸盐结构以及C-O、C=O等碳物种。在氧空位缺陷和多类型碳物种的协同作用下,TA-400的VB尾态延伸,导致禁带宽度缩减、可见光吸收范围扩大,同时提高了光生载流子的分离效率。最后,基于活性评价实验和一系列表征分析结果提出了TA-400的光催化性能增强机制。