氧等離子體活化及羥基化增強(qiáng)氧化鈦基光催化劑活性的研究.pdf

1、氧化鈦?zhàn)鳛橐环N最典型的光催化劑體系，其實(shí)際應(yīng)用面臨的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是如何增強(qiáng)其可見(jiàn)和紫外光催化活性。為此，本論文開(kāi)展了氧等離子體活化增強(qiáng)Au/TiO2的可見(jiàn)光催化活性和羥基化增強(qiáng)無(wú)定形氧化鈦的紫外光催化活性的研究。
　　負(fù)載納米金粒子的Au/TiO2因其表面等離子共振效應(yīng)，是一種備受關(guān)注的可見(jiàn)光催化劑。為獲得高活性的Au/TiO2可見(jiàn)光催化劑，本論文采用大氣壓介質(zhì)阻擋放電開(kāi)展了Au/TiO2的等離子體活化研究。在考察放電氣體組成、放

2、電氣體流量、輸入功率和放電時(shí)間等影響因素基礎(chǔ)上，進(jìn)一步開(kāi)展了焙燒活化、氬和氧等離子體活化的Au/TiO2樣品的比較性研究，發(fā)現(xiàn)氧等離子體活化樣品具有最高的可見(jiàn)光催化活性，闡明了氧等離子體活化增強(qiáng)Au/TiO2的可見(jiàn)光催化活性機(jī)理。隨后開(kāi)展了氧等離子體活化的Au/TiO2上可見(jiàn)光催化氧化脫除甲醛反應(yīng)的研究。最后，采用化學(xué)氣相沉積法，在大氣壓和室溫下制備了羥基化無(wú)定形氧化鈦及其不同溫度焙燒處理的樣品，比較了羥基化無(wú)定形與銳鈦礦樣品的結(jié)構(gòu)、光

3、學(xué)性質(zhì)、化學(xué)組成、形貌、比表面積和紫外光催化活性。主要研究結(jié)果如下:
　　(1)比較了氬、氮、氧和模擬空氣等離子體活化的Au/TiO2可見(jiàn)光催化劑在CO氧化反應(yīng)中的活性，氧等離子體活化樣品的活性最高。以氬、氧混合氣為放電氣體，其等離子體活化樣品的可見(jiàn)光催化活性隨氧含量的增加先快速上升然后基本不變。氧放電氣體中水含量的增加，其等離子體活化樣品的活性稍有下降。在本實(shí)驗(yàn)考察范圍內(nèi)，隨氧氣流量增加，氧等離子體活化樣品活性先上升后降低;隨輸

4、入功率增加，其活性單調(diào)上升;隨放電時(shí)間增加，其活性先快速增加然后趨于不變。
　　(2)焙燒活化、氬和氧等離子體活化的Au/TiO2這三種樣品在CO可見(jiàn)光催化氧化反應(yīng)中，氧等離子體活化的樣品活性最高，而氬等離子體活化的樣品活性最低。XPS分析和CO程序升溫還原表征結(jié)果表明，氧等離子體活化的樣品含有最多的表面氧物種，這有利于光催化反應(yīng)過(guò)程中活性氧物種的生成。另外，XPS結(jié)果還表明，氧等離子體活化樣品的零價(jià)金含量最低，但它的正價(jià)金在誘導(dǎo)

5、期能快速還原為零價(jià)金。這與UV-vis漫反射光譜、CO吸附原位漫反射紅外光譜和CO低溫脈沖化學(xué)吸附的表征結(jié)果相一致。氧等離子體活化樣品含有的大量表面氧物種和諸多配位不飽和的Au物種，增強(qiáng)了其可見(jiàn)光催化活性。
　　(3)氧等離子體活化的Au/TiO2在可見(jiàn)光催化氧化脫除甲醛反應(yīng)中，展現(xiàn)了比焙燒活化樣品更高的活性和更短的誘導(dǎo)期。氧等離子體活化樣品在該反應(yīng)的誘導(dǎo)期，隨著光強(qiáng)和濕度的增加，先快速縮短然后轉(zhuǎn)為緩慢減小。原位漫反射紅外光譜表征

6、結(jié)果表明，相比于于氣氛，濕氣氛加速了甲酸鹽物種的氧化，縮短了反應(yīng)的誘導(dǎo)期，抑制了單齒碳酸鹽物種的積累;氧等離子體活化樣品加速了甲酸鹽氧化這一速控步驟，因此在該反應(yīng)中顯現(xiàn)了比焙燒活化樣品更高的活性。針對(duì)氧等離子體活化樣品的可見(jiàn)光催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究，建立了一個(gè)有關(guān)光強(qiáng)和濕度影響的反應(yīng)速率常數(shù)方程，導(dǎo)出了其可見(jiàn)光催化反應(yīng)本征速率常數(shù)和濕度影響因子。濕度影響因子定量反映了低、中和高濕度區(qū)的濕度對(duì)反應(yīng)速率所展現(xiàn)的強(qiáng)的正效應(yīng)、強(qiáng)的負(fù)效應(yīng)和微弱的負(fù)效

7、應(yīng)。
　　(4)在大氣壓和室溫下制備了羥基化無(wú)定形氧化鈦(AM-RT)及其不同溫度焙燒處理的氧化鈦樣品，羥基化無(wú)定形AM-RT樣品具有最高的羥基含量、比表面積和甲醛吸附容量，因而在254nm紫外光催化氧化脫除甲醛反應(yīng)中，展現(xiàn)了最高的表觀量子效率（高達(dá)60.4％）。而銳鈦礦樣品中活性最高的AN-550，其表觀量子效率僅達(dá)49.5％。AN-350和AN-450樣品的比表面積和甲醛吸附容量非常接近，但254nm下AN-350的表觀量子效