氮掺杂TiO2(B)/锐钛矿异相结光催化剂的构建及电荷分离研究

Titanium oxide is one of the most promising catalysts on resolving the energy and environmental problems via photocatalytic technology. However, the UV light absorption property and relatively lower charge separation efficiency greatly restrict its application. Among four types of crystal form of titanium oxide, TiO2(B) with unique crystal structure and large surface area has attracted increasing attention recently. This project will concentrate on TiO2(B) and fabricate of nitrogen doped TiO2(B)(N-TiO2(B)) with hetero-phase junction. Both light absorption ability and charge separation efficiency of TiO2(B) will increase. First, the soft chemical preparation method will be performed to obtain TiO2(B) with high crystallinity. Feasible method with good repeatability will be explored. Second, N-TiO2(B) with good visible light absorption ability will be prepared. Third, the phase transformation process from N-doped TiO2(B) to anatase will be systematically studied. The key parameters of phase transformation process will be revealed and the visible light absorption ability should be maintained during this process. Then, proper cocatalysts will be explored to further increase the activity of N-TiO2(B) with hetero-phase junction. The relationship between phase structure and the reaction activity will also be performed. Finally, time-resolved spectroscopy will be applied to reveal the dynamics of charge transportation of N-TiO2(B) with hetero-phase junction, which will give a deep understanding of how phase junction works during photocatalytic process.

二氧化钛是光催化技术在解决能源环境问题上广受关注的半导体材料之一，然而仅吸收紫外光的特性及较低的电荷分离效率一直是该材料发展的瓶颈。在二氧化钛的四种晶相中，TiO2(B)因其特殊的通道结构以及松散晶型带来的大比表面积近来颇受关注。本项目将通过氮掺杂及构建TiO2(B)/锐钛矿异相结结构，同时实现该材料的可见光吸收及高电荷分离效率。项目将以软化学合成法制备晶化度高、相结构纯的TiO2(B)为入手点，探索简单、易行的合成方法；其次，研究N掺杂过程对TiO2(B)的吸光性能影响，将其紫外光响应拓展到可见光范围；再次，着重研究可见光响应的N-TiO2(B)向锐钛矿转变的相变机理，明晰N掺杂对相变过程的影响，同时担载合适的助催化剂将其应用在光催化水处理模型反应中，明确其晶相结构与反应活性之间的关系。最后，还将采用时间分辨光谱等技术对其电荷传输动力学行为进行研究，从机理层面剖析其活性提高的关键因素。

光催化作为可持续发展的新兴领域已经越来越受到科学技术领域的重视。二氧化钛是光催化技术在解决能源环境问题上广受关注的半导体材料之一，然而仅吸收紫外光的特性及较低的电荷分离效率一直是该材料发展的瓶颈。在二氧化钛的四种晶相中，TiO2(B)因其特殊的通道结构以及松散晶型带来的大比表面积近来颇受关注。本项目从TiO2(B)的相结构研究入手，结合碱热法，质子交换和退火等方法构建了具有异相结结构的TiO2(B)/锐钛矿纳米线光催化材料。利用XRD，紫外拉曼光谱技术监测了不同温度下纳米线从TiO2(B)到锐钛矿相的相变过程，观察到高温下材料体相以及表面相的相变过程，建立了TiO2(B)的表面优先型相变过程；同时并采用SEM，TEM观察相变过程中材料形貌的变化，以及异相结结构的存在。最终构建出体相为混相，表面为锐钛矿相的异相结光催化材料，并在光催化产氢及光催化降解污染物模型反应中，表现出优秀的光催化活性。此外，研究发现了HF对TiO2(B)相变过程的抑制作用，即在相同温度下，一定含量的HF的预处理可以使TiO2(B)的相变过程明显变慢，最终可在高温下得到具有TiO2(B)/锐钛矿异相结结构的光催化材料，并在光催化反应中取得优异的活性。理论计算结果表明表面F离子的吸附作用可以使TiO2(B)的（100）晶面的表面能降低，稳定的表面能是其相变抑制的根本原因。最后，在氮化过程中发现，HF的预处理也可明显加深氮化程度，且在较高温度下保持TiO2(B)结构未发生相变，最终得到深度氮化的TiO2(B)明显提升了光催化产氢性能。.该项目深入研究了TiO2(B)的相变过程，率先提出了表面优先型相变过程，同时通过降低材料表面能，提高了材料相变温度，为在高温下构建异相结结构提供了新的方法，最后提出了新的二氧化钛深度氮化的方法。这些研究均为今后TiO2(B)以及其他光催化材料的设计合成提供新的思路。