铜、银掺杂钛氧簇的合成与表征

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二氧化钛(TiO2)作为一种半导体光催化剂,具有高稳定性和环境友好的特点。但是,二氧化钛约3.2 e V的禁带宽度将其光活性限制在了紫外光区。为了更好地利用光能,可以通过金属离子掺杂来降低二氧化钛的禁带宽度。此外,二氧化钛还常作为一些贵金属催化剂的载体。不过纳米二氧化钛缺乏精确的表界面信息,很难对其构效关系进行精准研究。而钛氧簇具有精确的原子结构,可以作为二氧化钛的分子模型,在钛-氧材料构效关系的研究、理论计算和机理研究等方面有着很大优势。此外,金属掺杂对降低钛氧簇的禁带宽度同样适用。因此,本文通过溶剂热合成法,探索了新型铜、银掺杂钛氧簇的合成,并对所得异金属掺杂型钛氧簇进行了结构表征、光电性能评价。本论文的主要研究内容包括以下两部分:(1)在80oC时,以苯甲酸、特戊酸和三苯基膦等为配体合成出了六例铜掺杂的钛氧簇,其中化合物1-5的分子式为:Ti5Cu4II(μ3-O)6(benzoate)16(Me CN)2(1),Ti5Cu4II(μ3-O)6(C4H9COO)14(CH3COO)2(2),Ti4Cu2IICu2I(μ3-O)6(benzoate)10(Me CN)4(3,PTC-153),Ti4Cu2IICu2I(μ3-O)6(benzoate)8(CH3COO)2(Me CN)4(4,PTC-154),Ti8Cu2I(μ3-O)6(μ2-O)4(benzoate)14(Ph3P)2(Me CN)2(5)。通过X射线单晶衍射分析了这些化合物的结构,还通过等离子体发射光谱、光电子能谱、固体紫外-可见光谱等一系列方法对化合物1-4进行了充分的表征。这些化合物表现出了良好的可见光吸收、快速的光响应和可重现的光电流效果。值得一提的是,化合物PTC-153和PTC-154实现了新型的混价铜离子掺杂钛氧簇,其中Cu1+/Cu2+离子的数量和位置通过配位环境、整体电荷平衡、等离子体发射光谱、光电子能谱和价键计算(BVS)确定。在化合物1-5的合成中,均用氧化亚铜作为铜源,结构中的铜离子分别表现出二价(1和2)、混合价(3和4)和一价(5)。除了常规一锅法合成,用Ti44(PTC-165)作为钛源进行二步法合成也可以获得1和4。(2)成功合成四例银掺杂的钛氧簇,其中化合物7-9的分子式为:Ti10Ag2(μ3-O)2(SA)18(OiPr)2(7,SA=二价水杨酸阴离子,HOiPr=异丙醇),Ti8Ag4(μ2-O)(μ3-O)10(C4H9COO)14(Me CN)2(8),Ti4Ag9(SA)12(Me CN)3(9)。化合物9也可以通过二步法在更短的反应周期内得到。通过单晶X射线衍射分析、粉末X射线衍射、傅立叶变换红外光谱、固体紫外/可见/近红外吸收光谱和热重分析对这四例化合物进行了深入研究。这些银掺杂的钛氧簇为银负载的钛氧材料提供了分子模型。
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