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）

HTML （14）

PDF（pc）（1702KB）（556）

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。

在模拟太阳光(AM 1.5G, 100 mW·cm-2)下, 研究L-TiO₂和L-Ru@TiO₂对TC降解的光催化性能。光照80 min后, 原料TiO₂、L-TiO₂和L-Ru@TiO₂对TC的降解效率分别为62.81%、66.45%、91.91% (图6(a))。L-Ru@TiO₂物理吸附能力较弱, 但光催化能力强。由图6(b)可知, L-Ru@TiO₂的光降解动力学曲线与一级动力学模型匹配度较高, 通过高斯拟合获得降解速率常数k为(0.29890±0.00238) min-1。鉴于Ru纳米颗粒在可见-近红外光区的等离子体共振效应[35-36], 系统研究了环境介质温度对催化剂性能的影响。在环境介质温度为0, 25 ℃, 和不控制环境介质温度(55 ℃)三种条件下, 光照80 min后L-Ru@TiO₂对TC的降解效率分别为82.44%、91.91%和95.61%(图6(c))。365 nm紫外和900 nm红外单色光照80 min后条件, L-Ru@TiO₂对TC的降解效率分别为89.04%和50.49%(图6(d))。900 nm单色光照条件下L-Ru@TiO₂的催化性能主要源于热电子的贡献。

超氧阴离子自由基(?O₂-)、羟基自由基(?OH)和空穴(h+)是TC光降解过程中的主要活性物质[37]。为了进一步揭示三者在体系中的贡献, 分别加入抗坏血酸(L-ascorbic acid, LA)、异丙醇(Isopropanol, IPA)和草酸铵(Ammonium oxalate, AO)作为清除剂来猝灭?O₂-、?OH和h+。结果表明, 加入LA、IPA和AO使TC的降解效率由91.91%分别下降至27.13%、60.19%和28.77%(图6(e, f))。这说明在L-Ru@TiO₂体系中?O₂-和h+是光降解TC过程中的主要活性物质。