低温水热一步法制备AgTiO2、W/TiO2和(Ag,W)/TiO2及其表征

摘要

近十年,TiO2光催化材料因其安全性、稳定性、高效性和低成本,在降解环境污染物领域受到广泛关注。但锐钛矿TiO2仍存在光子利用率低、光生电子空穴对复合迅速等缺点有待改善。
　　 锐钛矿TiO2表面负载贵金属,能形成Schottky势垒;作为电子捕获剂有效阻止光生电子空穴对的复合。过渡金属掺杂可改变TiO2的晶体结构和禁带宽度宽度,影响光谱响应范围。本文以提高TiO2光催化活性,制备同时对液相和气相有良好适应性的光催化剂为目的,以钛酸正丁酯和金属盐为原料,在水溶液中,用低温水热一步法,制备了结晶态纳米Ag负载、W掺杂和Ag/W双元素负载/掺杂的锐钛矿TiO2纳米颗粒。通过扫描电镜、透射电镜、X射线衍射、X光电子能谱、紫外-可见漫反射光谱和荧光光谱对其结构和形貌进行了表征,并通过光催化降解H2S气体和亚甲基蓝溶液,评价了光催化性能。分析了产物结构、形貌、负载/掺杂量与性能之间的关系,提出了低温水热一步法的反应机理。
　　 实验结果显示,(1)低温水热一步法制备的Ag负载TiO2,与传统的光还原沉积法不同,Ag为结晶态(通常光还原法得到的为非晶态),因此,更容易捕获TiO2光生电子,抑制了TiO2光生电子和空穴复合,提高了对H2S的光催化降解性能;Ag、TiO2对H2S的吸附性能与Ag单质含量成正比;光催化降解性能Ag=4.5 wt％时效果最好,为TiO2的3.1倍;(2)制备的W杂TiO2,W6+进入晶格替代Ti4+舢,形成WxTi1-xO2固溶体,有利于TiO2的热稳定性;对TiO2光催化降解亚甲基蓝有促进作用,W=3 wt％时光催化降解效果最好;(3)制备的Ag/W负载/掺杂TiO2,W6+进入晶格,结晶态纳米Ag负载在表面,禁带宽度为3.0eV,扩大了TiO2的光响应范围;光催化降解亚甲基蓝能力介于W/TiO2与Ag/TiO2之间,Ag/W最佳比例为1:2;光催化降解H2S能力高于TiO2;(Ag,W)/TiO2在同时具备良好的液相和气相光催化降解性能方面具有潜力。
　　 低温水热一步法具备许多优点。工艺设备、条件简单,低成本;一步即可制备出产物,且负载贵金属为晶态,不需二次加热;无需其他添加剂,只在水溶液中进行。金属离子和Ti的前驱体均匀混合,具有高结晶度和良好分散性;通过调节前驱体含量、水热温度,可控制产物中纳米金属的晶粒、结晶度。是一种极具潜力的贵金属负载TiO2纳米颗粒制备方法。