通过一种新型共前驱体的方法简单合成能增强TiO2可见光光催化活性的C修饰及Fe,N共掺杂的TiO2材料

蒋华麟 刘军 厉梦琳 田磊 丁攻圣 陈萍华 罗旭彪

引用本文: 蒋华麟,  刘军,  厉梦琳,  田磊,  丁攻圣,  陈萍华,  罗旭彪. 通过一种新型共前驱体的方法简单合成能增强TiO2可见光光催化活性的C修饰及Fe,N共掺杂的TiO2材料[J]. 催化学报, 2018, 39(4): 747-759. doi: 10.1016/S1872-2067(18)63038-4 shu
Citation:  Hualin Jiang,  Jun Liu,  Menglin Li,  Lei Tian,  Gongsheng Ding,  Pinghua Chen,  Xubiao Luo. Facile synthesis of C-decorated Fe, N co-doped TiO2 with enhanced visible-light photocatalytic activity by a novel co-precursor method[J]. Chinese Journal of Catalysis, 2018, 39(4): 747-759. doi: 10.1016/S1872-2067(18)63038-4 shu

通过一种新型共前驱体的方法简单合成能增强TiO2可见光光催化活性的C修饰及Fe,N共掺杂的TiO2材料

  • 基金项目:

    国家自然科学基金(51368044,51568051,51668046);国家优秀青年基金(51422807);江西省科技支持计划(20151BBG70018);江西省杰出青年学者自然科学基金(20162BCB23041);江西省青年科学基金重点项目(20171ACB21034);江西省教育部科技项目(GJJ160700);江西省自然科学基金(20161BAB216102);江西省教育改革项目(JXJG-16-8-7);南昌航空大学教育改革项目(JY1604,JY1605KCPY-1511).

摘要: 为了提高TiO2的可见光光催化活性,研究者做了很多努力.晶格掺杂和表面修饰是提高TiO2可见光光催化活性的两种重要方法,但由于这两种方法实施的条件不一样,所以很难将它们在同一个制备过程中统一起来.为了解决这个问题,我们通过邻菲罗啉与Fe2+络合形成Fe(Ⅱ)-phenanthroline配合物,然后以这种配合物作为Fe,N,C的共同来源,通过水热-煅烧的方法合成Fe,N共掺杂且C表面修饰的TiO2材料(Fe,N co-doped TiO2/C).通过其在可见光照射下降解4-NP来评估材料的性能,同时也以XRD,FT-IR,XPS,EPR等手段对材料进行表征,结合实验结果推测了其可能的光催化机理.由可见光光催化降解动力学数据可知,Fe,N co-doped TiO2/C表现出来的性能最佳,其反应速率常数为0.00963min-1,约是纯TiO2的5.9倍,约是以三种单独来源分别引入Fe,N,C三种元素样品((Fe,N,C)-TiO2)的5.1倍.这说明不同引入元素之间的强烈相互作用可以协同地提高TiO2光催化能力.HRTEM图片显示Fe,N co-doped TiO2/C中存在异质结结构,它是锐钛矿和板钛矿的混合晶相,TiO2的这种混合晶型有利于增强其光催化性能.结合Fe,N co-doped TiO2/C的XPS、拉曼和FT-IR数据进行分析,结果显示C元素是修饰在TiO2晶体表面,N元素是完全掺杂到TiO2晶格中,Fe元素大部分掺杂到晶格中,少部分修饰在晶体表面(这在Fe掺杂TiO2的研究中较常见).另外,从XPS元素相对含量分析可知,用邻菲罗啉作为C,N的共同来源同时引入C,N,引入量比以往的报道提高了2倍左右,这表明我们报道的这种方法可以高水平地同时向TiO2引入C和N元素,为同时高水平地向TiO2中引入这两种元素提供了新的思路.结合EPR,时间-电流图,电化学阻抗图谱(EIS),光致发光图谱,Mott-Schottky图谱,XPS导带分析,活性自由基中间体捕获实验等多种表征的结果,我们推测Fe,N co-doped TiO2/C的光催化机理如下:在可见光照射下,Fe,N co-doped TiO2/C被激发而产生电子与空穴(h+),电子与氧气反应形成O2·-,然后O2·-和h+把污染物分子氧化并降解它们,而材料表面所修饰的C物质受之前所转移过来电子的保护,而不至于被强烈氧化.本研究实现了TiO2晶格掺杂与表面修饰在同一制备过程的结合,为制备高性能无机-有机元素共掺杂,内部-外部共改性的TiO2光催化材料提供了新的思路.

English

    1. [1] H. L. Jiang, M. L. Li, J. Liu, X. Q. Li, L. Tian, P. H. Chen, Ceram. Int., 2018, 44, 2709-2717.

    2. [2] Y. Zhang, J. R. Chen, L. Hua, S. J. Li, X. X. Zhang, W. C. Sheng, S. S. Cao, J. Hazard. Mater., 2017, 340, 309-318.

    3. [3] J. Shao, W. C. Sheng, M. S. Wang, S. J. Li, J. R. Chen, Y. Zhang, S. S. Cao, Appl. Catal. B, 2017, 209, 311-319.

    4. [4] Y. Zhang, Z. Y. Zhao, J. R. Chen, L. Cheng, J. Chang, W. C. Sheng, C. Y. Hu, S. S. Cao, Appl. Catal. B, 2015, 165, 715-722.

    5. [5] L. C. Jia, C. C. Wu, Y. Y. Li, S. Han, Z. B. Li, B. Chi, J. Pu, L. Jian, Appl. Phys. Lett., 2011, 98, 2815-2817.

    6. [6] Y. H. Zhang, F. Z. Lv, T. Wu, L. Yu, R. Zhang, B. Shen, X. H. Meng, Z. F. Ye,P. K. Chu, J. Sol-Gel Sci. Technol., 2011, 59, 387-391.

    7. [7] N. R. Mathews, M. A. Cortes Jacome, C. Angeles-Chavez, J. A. Toledo Antonio, J. Mater. Sci. Matter. Electron., 2015, 26, 5574-5584.

    8. [8] Z. Y. Huang, Z. G. Gao, S. M. Gao, Q. Y. Wang, Z. Y. Wang, B. B. Huang, Y. Dai, Chin. J. Catal., 2017, 38, 821-830.

    9. [9] L. J. Deng, Y. Xie, G. K. Zhang, Chin. J. Catal., 2017, 38, 379-388.

    10. [10] X. F. Wu, S. Fang, Y. Zheng, J. Sun, K. L. Lü, Molecules, 2016, 21, 181/1-181/3.

    11. [11] K. L. Lü, J. C. Hu, X. H. Li, M. Li, J. Mol. Catal. A, 2012, 356, 78-84.

    12. [12] K. Pathakoti, S. Morrow, C. Han, M. Pelaez, X. J. He, D. D. Dionysiou, H. M. Hwang, Environ. Sci. Technol., 2013, 47, 9988-9996.

    13. [13] L. G Devi, R. Kavitha, Appl. Catal. B, 2013, 140-141, 559-587.

    14. [14] D. H. Wang, L. Jia, X. L. Wu, L.Q. Lu, A. W. Xu, Nanoscale, 2012, 4, 576-584.

    15. [15] P. Zabek, J. Eberl, H. Kisch, Photochem. Photobiol. Sci., 2009, 8, 264-269.

    16. [16] X. J. Yu, J. J. Liu, Y. C. Yu, S. L. Zuo, B. S. Li, Carbon, 2014, 68, 718-724.

    17. [17] S. Larumbe, M. Monge b, C. Gómez-Polo, Appl. Surf. Sci., 2015, 327, 490-497.

    18. [18] K. Liu, Y. Wang, P. Chen, W. B. Zhong, Q. Z. Liu, M. F. Li, Y. D. Wang, W. W. Wang, Z. T. Lu, D. Wang, Appl. Catal. B, 2016, 196, 223-231.

    19. [19] S. M. Alshehri, T. Almuqati, N. Almuqati, E. Al-Farraj, N. Alhokbany, T. Ahamad, Carbohyd. Polym., 2016, 151, 135-143.

    20. [20] Y. C. Zhang, M. Yang, G. S. Zhang, D. D. Dionysiou, Appl. Catal. B, 2013, 142-143, 249-258.

    21. [21] Z. Dai, F. Qin, H. P. Zhao, F. Tian, Y. L. Liu, R. Chen, Nanoscale, 2015, 7, 11991-11999.

    22. [22] T. A. Kandiel, L. Robben, A. Alkaim, D. Bahnemann, Photochem. Photobiol. Sci., 2013, 12, 602-609.

    23. [23] J. Cao, B. Y. Xu, B. D. Luo, H. L. Lin, S. F. Chen, Catal. Commun., 2011, 13, 63-68.

    24. [24] X. B. Luo, F. Deng, L. J. Min, S. L. Luo, B. Guo, G. S. Zeng, C. Au, Envi-ron. Sci. Technol., 2013, 47, 7404-7412.

    25. [25] J. Yang, R. S. Hu, W. W. Meng, Y. F. Du, Chem. Comm., 2016, 52, 2620-2623.

    26. [26] J. P. Zou, L. C. Wang, J. M. Luo, Y. C. Nie, Q. J. Xing, X. B. Luo, H. M. Du, S. L. Luo, S. L. Suib, Appl. Catal. B, 2016, 193, 103-109.

    27. [27] G. Zhou, M. F. Wu, Q. J. Xing, F. Li, H. Liu, X. B. Luo, J. P. Zou, J. M. Luo, A. Q. Zhang, Appl. Catal. B, 2018, 220, 607-614.

    28. [28] Z. B. Zhang, C. C. Wang, R. Zakaria, J. Y. Ying, J. Phys. Chem. B, 1998, 102, 10871-10878.

    29. [29] W. Choi, A. Termin, M. R. Hoffmann, J. Phys. Chem., 1994, 98, 13669-13679.

    30. [30] S. Sood, A. Umar, S. K. Mehta, S. K. Kansal, J. Colloid Interf. Sci., 2015, 450, 213-223.

    31. [31] M. H. Zhou, J. G. Yu, B. Cheng, J. Hazard, Mater., 2006, 137, 1838-1847.

    32. [32] F. Zhou, R. Shi, Y. Zhu, J. Mol. Catal. A, 2011, 340, 77-82.

    33. [33] A. Ishikawa, T. Takata, J. N. Kondo, M. Hara, H. Kobayashi, K. Domen, J. Am. Chem. Soc., 2002, 124, 13547-13553.

    34. [34] M. Y. Xing, J. L. Zhang, F. Chen, Appl. Catal. B, 2009, 89, 563-569.

    35. [35] G. D. Yang, Z. Jiang, H. H. Shi, T. C. Xiao, Z. F. Yan, J. Mater. Chem., 2010, 20, 5301-5309.

    36. [36] P. Zabek, J. Eberl, H. Kisch, Photochem. Photobiol. Sci., 2009, 8, 264-269.

    37. [37] J. Wang, D. N. Tafen, J. P. Lewis, Z. L. Hong, A. Manivannan, M. J. Zhi, M. Li, N. Q. Wu, J. Am. Chem. Soc., 2009, 131, 12290-12297.

    38. [38] G. M. Wang, H. Y. Wang, Y. C. Ling, Y. C. Tang, X. Y. Yang, R. C. Fitzmorris, C. C. Wang, J. Z. Zhang, Y. Li, Nano. Lett., 2011, 11, 3026-3033.

    39. [39] H. Y. Li, D. J. Wang, H. M. Fan, P. Wang, T. F. Jiang, T. F. Xie, J. Colloid Interf. Sci., 2011, 354, 175-180.

    40. [40] F. Z. Jia, Z. P. Yao, Z. H. Jiang, C. X. Li, Catal. Commun., 2011, 12, 497-501.

    41. [41] D. M. Chen, Z. Y. Jiang, J. Q. Geng, Q. Wang, D. Yang, Ind. Eng. Chem. Res., 2007, 46, 2741-2746.

    42. [42] L. Zhao, X. F. Chen, X. C. Wang, Y. J. Zhang, W. Wei, Y. H. Sun, M. Antonietti, M. M. Titirici, Adv. Mater., 2010, 22, 3317-3321.

    43. [43] X. Nie, G. Y. Li, P. K. Wong, H. J. Zhao, T. C. An, Catal. Today, 2014, 230, 67-73.

    44. [44] H. Q. Wang, Z. B. Wu, Y. Liu, J. Phys. Chem. C, 2009, 113, 13317-13324.

    45. [45] X. Y. Zhang, H. P. Li, X. L. Cui, Y. H. Lin, J. Mater. Chem., 2010, 20, 2801-2806.

    46. [46] H. Zhang, X. J. Lu, Y. M. Li, Y. Wang, J. H. Li, ACS Nano, 2010, 4, 380-386.

    47. [47] V. Etacheri, M. K. Seery, S. J. Hinder, S. C. Pillai, Chem. Mater., 2010, 22, 3843-3853.

    48. [48] M. Sathish, B. Viswanathan, R. P. Viswanath, C. S. Gopinath, Chem. Mater., 2005, 17, 6349-6353.

    49. [49] F. Spadavecchia, G. Cappelletti, S. Ardizzone, C. L. Bianchi, S. Cappelli, C. Oliva, P. Scardi, M. Leoni, P. Fermo, Appl. Catal. B, 2010, 96, 314-322.

    50. [50] J. G. Yu, Q. J. Xiang, M. H. Zhou, Appl. Catal. B, 2009, 90, 595-602.

    51. [51] Z. Ambrus, N. Balazs, T. Alapi, G. Wittmann, P. Sipos, A. Dombi, K. Mogyorosi, Appl. Catal. B, 2008, 81, 27-37.

    52. [52] Y. Shao, C. S. Cao, S. L. Chen, M. He, J. L. Fang, J. Chen, X. F. Li, D. Z. Li, Appl. Catal. B, 2015, 179, 344-351.

    53. [53] J. Yang, R. S. Hu, W. W. Meng, Y. F. Du, Chem. Commun., 2016, 12, 2620-2623.

    54. [54] Z. M. Yang, G. F. Huang, W. Q. Huang, J. M. Wei, X. G. Yan, Y. Y. Liu, C. Jiao, Z. Wan, A. L. Pan, J. Mater. Chem. A, 2014, 2, 1750-1756.

    55. [55] N. Liang, J. T. Zai, M. Xu, Q. Zhu, X. Wei, X. F. Qian, J. Mater. Chem. A, 2014, 2, 4208-4216.

    56. [56] G. L. Liu, C. Han, M. Pelaez, D. W. Zhu, S. J. Liao, V. Likodimos, N. Ioannidis, A. G Kontos, P. Falaras, P. S. M. Dunlop, J. A. Byrne, D. D. Dionysiou, Nanotechnology, 2012, 23, 294003/1-294013/10.

    57. [57] H. B. Liu, Y. M. Wu, J. L. Zhang, ACS Appl. Mater. Interfaces, 2011, 3, 1757-1764.

    58. [58] C. Chen, W. M. Cai, M. C. Long, B. X. Zhou, Y. H. Wu, D. Y. Wu,Y. J. Feng, ACS Nano, 2010, 4, 6425-6432.

    59. [59] F. Z. Jia, Z. P. Yao, Z. H. Jiang, C. X. Li, Catal. Commun., 2011, 12, 497-501.

    60. [60] Y. H. Zhang, Z. R. Tang, X. Z. Fu, Y. J. Xu, ACS Nano, 2011, 5, 7426-7435.

    61. [61] J. K. Wassei, K. C. Cha, V. C. Tung, Y. Yang, R. B. Kaner, J. Mater. Chem., 2011, 21, 3391-3396.

    62. [62] P. Xu, J. Lu, T. Xu, S. U. Gao, B. B. Huang, Y. Dai, J. Phys. Chem. C, 2010, 114, 9510-9517.

    63. [63] P. Ząbek, J. Eberl, H. Kisch, Photochem. Photobiol. Sci., 2009, 8, 264-269.

    64. [64] J. H. Chang, Q. G. Dong, Spectrum Principle and the Analysis, Science Press, Beijing, 2006.

    65. [65] J. P. Zou, D. D. Wu, J. M. Luo, Q. J. Xing, X. B. Luo, W. H. Dong, S. L. Luo, H. M. Du, S. L. Suib, ACS Catal., 2016, 6, 6861-6867.

    66. [66] W. H. Dong, D. D. Wu, J. M. Luo, Q. J. Xing, H. Liu, J. P. Zou, X. B. Luo, X. B. Min, H. L. Liu, S. L. Luo, C. T. Au, J. Catal., 2017, 349, 218-225.

    67. [67] M. Y. Xing, J. L. Zhang, F. Chen, B. Z. Tian, Chem. Commun., 2011, 47, 4947-4949.

    68. [68] S. Livraghi, M. C. Paganini, E. Giamello, A. Selloni, C. D. Valentin, G. Pacchioni, J. Am. Chem. Soc., 2006, 128, 15666-15671.

    69. [69] P. Triggs, Helv, Phys. Acta, 1985, 58, 657-714.

    70. [70] X. W. Zhang, L. C. Lei, Mater. Lett., 2008, 62, 895-897.

    71. [71] D. Mitoraj, H. Kisch, Angew. Chem. Int. Ed., 2008, 47, 9975-9978.

    72. [72] R. Asahi, T. Morikawa, T. Ohwaki, K. Aoki, Y. Taga, Science, 2001, 293, 269-271.

    73. [73] S. Yin, Y. Aita, M. Komatsu, J. S. Wang, Q. Tang, T. Sato, J. Mater. Chem., 2005, 15, 674-682.

    74. [74] F. Spadarecohia, G. Cappelletti, S. Ardizzone, C. L.Bianchi, S. Cappelli, C. Oliva, P. Scardi, M. Leoni, P. Fermo, Appl. Catal. B, 2010, 96, 314-322.

    75. [75] L. L. He, Z. F. Tong, Z. H. Wang, M. Chen, J. Colloid Interf. Sci., 2018, 509,448-456.

    76. [76] H. Huang, N. Huang, Z. H. Wang, G. Q. Xia, M. Chen, L. L. He, Z. F. Teng, C. G. Ren, J. Colloid Interf. Sci., 2017, 502, 77-88.

    77. [77] L. Jia, D. H. Wang, Y. X. Huang, A. W. Xu, H. Q. Yu, J. Phys. Chem. C, 2011, 115, 11466-11473.

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  0
  • 文章访问数:  1495
  • HTML全文浏览量:  107
文章相关
  • 收稿日期:  2017-12-24
  • 修回日期:  2018-01-18
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

  1. 本站搜索
  2. 百度学术搜索
  3. 万方数据库搜索
  4. CNKI搜索

/

返回文章