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TiO2基纳米材料在光催化和酒敏探测中的应用研究进展

文章来源:科技信息中心编辑室   时间:2019-02-21

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TiO2作为重要的光催化剂和气敏探测材料,在废弃炸药的催化分解和炸药稳定性探测方面有重要应用前景。但由于TiO2带隙较宽(3.2 eV),只能吸收紫外光,太阳光利用率低;且TiO2的量子效率较低,光生电子空穴对容易再复合,因此其太阳光催化效率较为低下。在气敏方面,TiO2的气体灵敏度较低、选择性较差。这些都极大地限制了TiO2的在光催化和气敏探测领域的应用。经研究组前期研究发现,半导体复合是提高光催化和气敏性能的有效途径。然而要实现半导体复合提高TiO2性能这一目标,首先要解决如下三个问题:

1通过何种制备方法才能实现复合半导体的可控和大批量生产;

2选用何种半导体材料与TiO2复合才能有效提高其太阳光催化效率;

3选用何种半导体材料与TiO2复合才能有效提高其气敏性能。

通过本项目的研究,解决了半导体耦合提高TiO2材料光催化和气敏性能方面面临的三大问题,为复合材料的制备提高了有效手段,为复合半导体的选择提供了选择条件,所研发的三元复合光催化材料和二元复合气敏材料在国际上均处于领先水平。

1  复合半导体的可控和大批量生产研究取得较大进展

本项目通过对制备方法进行系统研究,最终利用电纺丝方法实现了复合材料的大批量制备。该方法可以制备各种二元、三元等复合材料,可实现复合材料的一次合成,材料结构可控,方法简单易操作,且可实现大批量生产,如图1所示。

TiO<sub>2</sub>基纳米材料在光催化和酒敏探测中的应用研究进展

2  TiO2太阳光催化效率提高研究取得较大进展

针对TiO2在光催化领域存在的上述问题进行了系统研究,确定了复合半导体的选择条件,即复合半导体的带隙要较小,对可见或近红外光有吸收能力;能带结构合适,与TiO2形成异质结时要有助于光生电子空穴对的分离。最终通过半导体复合法将TiO2的光响应范围拓展至可见甚至近红外光区,并且合适的半导体与TiO2耦合形成的异质结还可以有效阻止光生电子空穴对的再复合,因此复合光催化剂的催化效率得到了极大程度的提高。此外,由于所选择的半导体大多为氧化物,其稳定性好,可以长期暴露在空气中,是优秀的光催化剂。具体研究内容如下:

1)通过与半导体V2O5耦合的方法将TiO2的光响应范围拓展至可见光区,所得的TiO2/V2O5纳米异质结构材料的可见光催化效率比纯TiO2纳米材料高8倍左右,这不仅是因为TiO2/V2O5纳米异质结构材料具有优异的可见光响应能力,还因为V25TiO2耦合后形成的异质结更利于光生电子空穴对的有效分离,从而提高催化剂的量子效率。此外,TiO2/V2O5纳米异质结构材料具有较高的光催化稳定性,重复利用十次后,TiO2/V2O5纳米异质结构材料依然具有很好的光催化活性。这说明V2O5TiO2的耦合是提高TiO2光催化效率的有效途径,并且利用一种方法可以同时改善TiO2光催化剂的两大缺陷,这将为研究高效率的光催化剂提供一个新的方向。

2)为了将TiO2基纳米材料的光响应范围进一步拓展至近红外光区,我们选用了窄带隙半导体Ag2OV2O5作为共耦合剂,制备出了Ag2O/TiO2/V2O5纳米复合材料。该方法将TiO2的光响应范围从紫外扩展至可见和近红外区,极大提高了TiO2基纳米材料的太阳光利用率。同时,该复合材料所具有的异质结构也大大提高了光生电子空穴对的分离率。因此,在模拟太阳光下,该材料的光催化效率比纯TiO2提高了13倍左右,如图2所示,其中,STV NHsAg2O/TiO2/V2O5纳米异质结;TV NFsTiO2/V2O5纳米纤维;TV+Ag2OTiO2/V2O5纳米纤维与Ag2O纳米颗粒机械混合产物;TiO2 NFsTiO2纳米纤维。用ln(罗丹明B实时浓度/罗丹明B初始浓度)随光照时间变化的斜率表示。

本研究为TiO2基纳米材料在光催化领域的进一步应用提供了理论依据和实验基础,所得的优秀光催化剂Ag2O/TiO2/V2O5纳米复合材料可以被用于环境净化和产氢,在社会产业化等方面均有巨大的潜在应用价值。

TiO<sub>2</sub>基纳米材料在光催化和酒敏探测中的应用研究进展

可以看出Ag2O/TiO2/V2O5纳米异质结的光催化性能最好,TiO2/V2O5纳米纤维次之,TiO2/V2O5纳米纤维与Ag2O纳米颗粒机械混合产物催化效率较低,TiO2纳米纤维最低。

3  TiO2气敏性能提高研究取得较大进展

针对TiO2气敏性能低下这一问题,通过对Ag0.35V2O5V2O5这两种半导体进行研究发现,复合Ag0.35V2O5V2O5均能在很大程度上提高TiO2的气敏性能,其中Ag0.35V2O5/TiO2复合材料的气体灵敏度为32左右。3(a)不同工作温度下TiO2/Ag0.35V2O5TiO2基气敏传感器的电流分别在20010-6的酒精气体和空气环境中的变化规律(电流增大表示通入酒精气体,电流减小表示恢复空气环境),插图为TiO2/ Ag0.35V2O5TiO2基气敏传感器对20010-6酒精气体的响应(酒精气体中的电阻与空气环境中的电阻的比值)随工作温度的变化规律。3(b)TiO2/Ag0.35V2O5TiO2基气敏传感器对20010-6的酒精气体响应的循环测试曲线,插图为单个循环的放大图。3(c)不同酒精浓度下TiO2/Ag0.35V2O5TiO2基气敏传感器的电流变化,插图为对应的不同酒精浓度下的气敏响应变化。3(d)TiO2/Ag0.35V2O5TiO2基气敏传感器对不同气体的响应(Eth为酒精;Ace为丙酮;Amm为氨气;Met为甲醇;Tol为甲苯),插图为丙酮、氨气、甲醇和甲苯气体响应的局部放大。

TiO<sub>2</sub>基纳米材料在光催化和酒敏探测中的应用研究进展

V2O5/TiO2复合材料的气体灵敏度约为24,而纯TiO2的气体灵敏度约为3.6。且由于Ag0.35V2O5的电导率比V2O55倍左右,因此Ag0.35V2O5/TiO2复合材料的气敏性能比V2O5/TiO2更加优异。通过对气敏机理的分析发现,要提高复合材料的气敏性能,电导率高的半导体是复合材料的首选。此外,对复合材料的结构进行细微控制(例如枝干状复合材料),也是获得高效气敏材料的有效手段。该研究为选择何种半导体材料与TiO2复合才能有效提高其气敏性能提供了选择条件。

可以看出TiO2/Ag0.35V2O5基气敏传感器的工作温度比TiO2基气敏传感器低,其气敏响应比TiO2基气敏传感器高,对酒精气体的选择性高,说明TiO2/Ag0.35V2O5是优异的气敏传感材料。

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