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纳米晶TiO2是一种在环境治理中广泛使用的光催化剂。然而半导体TiO2的带隙较宽(锐钛矿为3.2eV),对占日光中很大比例的可见光并不能有效利用,从而限制其广泛使用。本文中提出了一种提高TiO2光吸收率的新方法,通过在nc-TiO2膜的底层复合SnO2反opal光子晶体,制备nc-TiO2/SnO2反opal光子晶体复合膜催化剂,利用底层光子晶体的光子局域特性来提高光与nc-TiO2的相互作用,从而提高其光催化活性。
实验采用模板法制备了SnO2反opal光子晶体,首先用室温漂浮组装法合成PSopal模板,填充模板后再在450℃2温度下焙烧除去PS模板,即得到SnO2反opal光子晶体。实验分别采用浸渍填充法和LPD填充法两种填充方法,并对比两者对PSopal模板的填充效果。实验结果表明,相对于浸渍填充法,采用LPD法能达到更好的填充效果,制备的SnO2反opal光子晶体中,SnO2骨架占有比率更高。
用水热法合成了锐钛矿晶形的纳米晶TiO2(nc-TiO2),通过旋涂的方式将其担载在SnO2反opal膜上制备nc-TiO2/SnO2反opal光子晶体复合膜催化剂。采用氙灯照射下光降解复合膜上担载的罗丹明B为探针反应,考察了复合膜的光催化活性。其结果表明,光子晶体的复合能够提升nc-TiO2的光催化效率,其提升作用与SnO2反opal的禁带位置有关,当禁带位置在nc-TiO2吸收边上时,其催化活性是参比nc-TiO2/SnO2无序膜的1.97倍,当禁带位置离开nc-TiO2吸收边,提升效果也会减弱。为了进一步考察反应光的波长对降解反应的影响,实验设计了一组单色光降解实验,将反应光的波长分别固定在TiO2吸收边之前,吸收边上以及吸收边之后,其催化结果表明,只有入射光波长在nc-TiO2吸收边上时才能观察到提升效果。这也进一步证实光子晶体复合提高nc-TiO2光催化效率,是提高了nc-TiO2对吸收边附近光的吸收效率所导致的。