王兆阳, 秦鹏, 蒋胤, 冯小波, 杨培志, 黄富强

无机材料学报 2024, 39 (4): 383-389. DOI:10.15541/jim20230457

摘要（455）

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纳米TiO₂具有高催化活性、高化学稳定性、成本低廉和安全无毒等优势, 是目前广泛使用的一类光催化剂, 但较大的禁带宽度和较高的光生电子-空穴复合速率使其光子利用率偏低。本研究利用微刻蚀法设计合成了二维TiO₂纳米片, 并进一步与Ru复合, 构建了三明治结构Ru@TiO₂高效光催化剂。采用不同表征手段研究了三明治结构Ru@TiO₂的表面形貌、电子结构、光电特性和光降解盐酸四环素的性能。结果表明: 插入Ru将TiO₂的光响应范围由紫外光区拓展至整个可见-近红外光区, 光子吸收和载流子分离效率得以提升,同时提高了体系光催化活性。模拟太阳光(AM 1.5G, 100 mW·cm^-2)照射80 min, 三明治结构Ru@TiO₂高效光催化剂对盐酸四环素的降解效果出色, 降解效率达到91.91%。本研究为TiO₂基高效光催化剂结构设计提供了一条有效途径。

图4(a, b, d, e)的TEM照片表明L-TiO₂和L-Ru@TiO₂具有层状特性, 两者平均尺寸均为60 nm×500 nm, Ru插层后并未显著改变L-TiO₂形貌。L-TiO₂层间相对光滑, 且片层内存在明显的间隙和孔隙, 这是离子传输和吸附的重要通道[30]。在HRTEM照片(图4(c, f))中, L-TiO₂和L-Ru@TiO₂的晶格间距分别为0.176和0.184 nm, 对应锐钛矿型TiO₂的(105)晶面, 其中L-Ru@TiO₂的晶格间距略大, 表明插入Ru后TiO₂层间距变大, 这与XRD分析结果一致。图4(h)为高角环形暗场像(HAADF)中Ru(101)晶面的晶格条纹, 其晶格间距为0.244 nm。插层后, Ru纳米颗粒(椭圆区域)包埋在TiO₂层下, 证明Ru被夹在TiO₂片层间形成三明治结构。图4(i)的元素分布图展示了L-Ru@TiO₂的元素分散特性。Ti和O分散均匀, Ru则较多分散在边缘, 这是因为三明治结构使Ru更容易暴露在粒子的边缘。