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5(a)为L-TiO₂和L-Ru@TiO₂的紫外-可见吸收光谱图, L-TiO₂在386 nm处有明显吸收边, 光响应范围主要在波长短于400 nm的紫外光区。插入Ru后, L-Ru@TiO₂的吸收拓展到整个可见光区域, 显著提高了材料光子利用率。另外, L-TiO₂在350~600 nm范围内存在一个强发射峰, 与已报道的锐钛矿型TiO₂一致[31?-33]。而插入Ru后光致发光峰的强度显著降低, 并出现光谱蓝移, 说明二者间存在电荷转移(图5(b))。图5(c)为L-TiO₂和L-Ru@TiO₂的瞬态光电流响应曲线, 进一步表明L-Ru@TiO₂的光子吸收和载流子分离效率得以提升。同时, 插入Ru后体系的功函数由4.73 eV降低到4.49 eV, 较低的功函数有助于光催化反应过程中电子转移至催化剂表面[34](图5(d))。