納米TiO2的改性及表界面光生電荷分離研究.pdf

1、通過過渡金屬離子摻雜、表面活性劑表面修飾以及染料敏化等方法對納米TiO2進(jìn)行改性，并利用現(xiàn)代測試技術(shù)，如表面光電壓譜（SPS）和光致發(fā)光光譜（PL）等，重點揭示改性方法對光生電荷在納米TiO2表界面分離的影響機制。
　　以Zn為過渡金屬元素的代表，對納米TiO2進(jìn)行摻雜改性。主要考察了不同焙燒溫度、Zn量對TiO2晶相結(jié)構(gòu)和表面結(jié)構(gòu)等的影響，重點研究了Zn摻雜對納米TiO2光生載流子的分離以及光催化性能的影響。結(jié)果表明：Zn的摻雜

2、改性能夠輕微促進(jìn)TiO2由銳鈦礦相向金紅石相的轉(zhuǎn)變；經(jīng)450℃焙燒，3％Zn摻雜改性的樣品具有較高的光生載流子分離效率以及較為豐富的表面態(tài)，從而使得TiO2具有較高的光催化活性。Zn的摻雜改性同樣可以提高TiO2粒子膜的光催化活性。此外，在成膜過程中，十二烷基苯磺酸鈉（DBS）的加入能夠有效地提高薄膜的表面積，進(jìn)一步提高了粒子膜的光催化活性。
　　利用陰離子表面活性劑DBS和陽離子表面活性劑十六烷基三甲基溴化銨（CTAB）對納米T

3、iO2表面進(jìn)行修飾，探索了表面修飾的適宜條件，并分析了表面修飾機制；重點研究了表面活性劑的修飾對納米TiO2光生電荷分離以及光催化活性的影響。結(jié)果表明：在適宜的pH范圍和表面活性劑用量條件下，DBS和CTAB基團(tuán)能夠較好地修飾在TiO2納米粒子表面，實現(xiàn)TiO2由水相到有機相的相轉(zhuǎn)移過程。兩種表面活性劑的修飾機制是不同的，DBS與靜電吸引作用有關(guān)，而CTAB不僅與靜電作用有關(guān)而且還可能與氫鍵作用有關(guān)。在合適的pH值范圍內(nèi)，DBS和CTA

4、B適宜的用量范圍均約為1%～3%，最佳用量在2%左右。由于DBS和CTAB具有相近的摩爾質(zhì)量，因此說明每個TiO2納米粒子表面與表面活性劑分子相聯(lián)接的活性位數(shù)是一定的。此外，緩沖溶液的組分對修飾效果有較大的影響。
　　表面修飾DBS和CTAB后，納米TiO2的光催化活性得以提高，這與SPS和電場誘導(dǎo)表面光電壓譜（EFISPS）表征結(jié)果是相符合的。表面活性劑分子在TiO2表面的修飾可能影響了其對光子的吸收，從而減弱SPS響應(yīng)信號的強

5、度。另外，DBS和CTAB分子基團(tuán)分別通過S和N原子與TiO2表面相互作用，S和N的吸電子作用使得光生電子到達(dá)納米TiO2表面的幾率增大，改善光生電子與空穴的分離，降低SPS信號響應(yīng)強度。EFISPS響應(yīng)信號閾值紅移表明DBS和CTAB的修飾能夠豐富TiO2的表面態(tài)。樣品表面態(tài)的豐富有利于促進(jìn)光生電荷的有效分離，進(jìn)而提高納米TiO2的光催化活性。此外，表面活性劑分子修飾的納米TiO2具有良好的光催化循環(huán)使用性能，而且表面活性劑分子基團(tuán)較

6、為穩(wěn)定，在光催化過程中不易被分解。
　　選用茜素（Alz）為染料的代表，制備了Alz敏化的TiO2納米晶薄膜電極，探討了Alz敏化TiO2前后電荷躍遷的屬性，重點研究了表面活性劑分子對光生電荷在Alz與TiO2之間轉(zhuǎn)移的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，Alz分子敏化TiO2以后，其電荷躍遷屬性發(fā)生改變，即由原來的n→π*電子躍遷轉(zhuǎn)變?yōu)橛膳潴w向中心金屬離子的躍遷（LMCT），意味著Alz是以螯合的形式連接到TiO2表面，這對于促進(jìn)光生電荷的有效分離