一维掺杂TiO2纳米管/分子筛复合材料的制备及选择性光催化性质研究

Due to good electrical transport, high surface area and low charge carriers combination losses, one-deminational self-ordered TiO2 nanotubes demonstrate various excellent properties.This kind of material is explored in many applications such as photocatalysis and water spillting. In this project, after fabrications of Nb doped TiO2 nanotubes by electrochemical anodization, zeolites will be synthesized within the nanotubual layer by hydrothermal method. We will focus on producing a novel TiO2/zeolite nanocomposite to enhance both photocatalytic activity and selectivity. Here,zeolite systems act as adsorbents of some orgaincs to enrich a desired specises in nanotubes depending on the specific pore size. Doped Nb is to be great help in photo-electron transport in TiO2 nanotube and modification of the bulk electronic structure, then to produce a higher photocatalytic activity. In order to make clear the effcets of selective photocatalysis on nanocomposite, we will explore the chemical composition, pore size, channel structure and surface hydrophobic/hydrophilic properties of zeolites. Also,the optimal ratio of anatase and rutile in Nb-doped TiO2 nanotube for a higher photocalytic activity will be investigated. The aim of this project is to synthesize the promising photocatalytic functionality of the Nb-doped TiO2 nanotube with the selective capturing ability of zeolites for producing a new type of photocatalyst.

一维自组装有序的TiO2纳米管由于具有高比表面积和快速电子传输等特点在光催化降解有机污染物和光解水制氢等领域受到国内外的广泛关注。本项目提出一种新的研究思路，以同时提高光催化降解效率和增加光催化选择性两方面为目标，将Nb掺杂的TiO2纳米管和分子筛结合。首先用电化学阳极氧化法使用Ti-Nb合金制备Nb掺杂的TiO2纳米管，然后将硅铝酸盐类分子筛以水热法直接生长在管中。利用Nb的掺杂效应提高光生电子在TiO2中的传输性能及改变TiO2的能带结构以提高光催化活性；利用不同分子筛特有的孔道尺寸效应对目标分子进行选择性吸附。研究不同种类分子筛的化学组成、孔径大小、孔道结构及表面亲疏水性对光催化的选择性的影响，同时探究Nb掺杂TiO2纳米管中锐钛矿和金红石的最佳比例，制备出具有高选择性高活性的新型光催化剂。

本项目以提高TiO2纳米管的光电性能为目标展开一系列工作。以Ti-Nb合金为工作电极，利用电化学阳极氧化法直接制备一维自组装有序的Nb2O5-TiO2纳米管阵列，结合水热合成法通过改变晶化温度、预处理时间等实验参数实现了将孔道尺寸不同的ZSM-5和Y型分子筛负载在Nb2O5-TiO2纳米管中。实验结果表明所得复合材料表面亲疏水性可以通过改变分子筛的硅铝比和水热合成温度来调控，且实现了用于低浓度有机物降解的新型光催化剂的构筑。在光生电荷微观机理方面，利用阳极氧化法合成了多种一维自组装有序过渡金属氧化物 (Nb2O5、NiOx、MoO3)修饰的TiO2纳米管，结合多种电化学测量方法和表面光伏等表征技术，对比未修饰的TiO2纳米管阵列系统讨论了光电化学性能的改变。研究结果表明了一维有序结构提供了良好的电子传输通道，Nb5+、Ni2+/3+和Mo6+等过渡金属离子的掺杂能够在一维TiO2纳米管中形成杂质能级，进一步提高导带中的载流子浓度、减小界面传荷电阻、促进光生电子和空穴的分离效率、延长光生载流子寿命，从而显著的提高了材料的光电催化和光解水等方面的性能。另外，以一步光催化法合成了普鲁士蓝/金纳米粒子/TiO2纳米管复合电极，发现该电极在对低浓度的H2O2的检测中具有低过电势、高灵敏度、快速响应时间、较宽的检测线性范围及良好的循环稳定性，在电催化方面，由于一维TiO2纳米管阵列独特的电子传导优势和较大的比表面积，以微波辅助法制备的TiO2纳米管/Pt-C复合催化剂在电化学氧化甲醇的测试中表现出了更高的催化活性和循环稳定性。以上研究为开发新型的有潜力的光电功能性一维纳米材料提供新的思路。