高量氮掺杂TiO2的光生电荷调控及可见光催化性能

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二氧化钛(TiO2)基半导体光催化材料一直是VOCs治理等环境应用领域的研究热点。但TiO2带隙较宽(3.2 e V)无可见光响应、光生载流子容易复合以及催化位点不足的问题制约了性能的进一步提高。非金属N掺杂被认为是有效拓展TiO2可见光响应范围的策略,而实现高氮量掺杂的同时调控其缺陷结构是关键。此外,通过复合体构建不仅能够进一步促进光生电荷分离,更有望改善对氧气的催化活化,进而大幅提升其可见光催化降解VOCs(如气相乙醛)的性能。第一,高量氮掺杂TiO2的制备及可见光催化降解乙醛性能。首先,利用磷酸分子对锐钛矿相TiO2进行修饰以提高热稳定性。在此基础上,通过氨气气氛下的高温处理实现氮掺杂。结果表明,磷酸修饰使TiO2在650℃下仍保持纯锐钛矿相,随着氨化温度提高,其可见光响应范围随之拓宽。其中600℃氨化的样品表现出最佳的可见光催化性能,主要归因于其较高氮掺杂量和表面氧空位(Vo)在拓展可见光响应范围的同时实现了可见光生电荷的有效分离。氮掺杂量更高的650℃氨化的样品的性能有所降低,主要归因于深能级Ti3+缺陷的形成导致了光生载流子复合,抑制了光催化性能的提升。第二,基于氮掺杂TiO2的缺陷调控及其与K0.27MnO2复合体的构建。首先发展了类光芬顿氧化等修复技术实现了对Ti3+缺陷的可控去除。在此基础上,利用湿化学法构建了其与K0.27MnO2纳米片的复合体。结果表明,所发展的类光芬顿氧化修复技术显著优于传统的氧气热处理方法,可在对Ti3+缺陷修复的同时更有利于掺杂氮及Vo的保持,从而实现宽可见光生电荷的有效分离。NPTO-650样品的乙醛降解性能由修复前的41%提高到89%。通过复合体的构建使其可见光催化性能进一步提高1.6倍,这主要归因于K0.27MnO2纳米片有利于改善高氮量掺杂TiO2的可见光生电荷分离并促进氧气的活化。
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