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静电纺丝制备TiO2-Bi2WO6异质纳米纤维应用于光催化领域取

已有 9340 次阅读 2011-11-23 17:42 |个人分类:TiO2复合|系统分类:论文交流| medium, white, 领域

静电纺丝制备TiO2-Bi2WO6异质纳米纤维应用于光催化领域取

    这些年来,大气污染、水体污染这类环境问题越来越严重,也越来越引起人们的关注。随着纳米科学与技术的发展,纳米光催化这种“绿色”技术开始广泛应用于污染物处理和环境保护等多种领域。纳米TiO2由于光照后不发生光腐蚀,耐酸碱性能好,化学性质稳定,对生物无毒性,来源丰富,产生光生电子和空穴的电势点位高,有很强的氧化还原性能等优异的特性,被看作是当前最有应用潜力的光催化剂材料。但由于TiO2禁带宽度为3.2 eV(锐钛矿,Anatase, 只能吸收波长小于387nm的紫外光,同时光照产生的电子与空穴极易在TiO2体内复合,从而导致光催化效率很低。鉴于此,目前对于TiO2的研究重点主要集中在可见光改性和提高光催化效率上,其中,窄禁带半导体的复合就是一种重要的方法。随着研究的深入,结构简式如同Bi2An-1BnO3n+3A=Ca, Sr, Ba, Pb, Bi, Na, K, B=Ti, Nb, Ta, Mo, W, Fe)的层状钙钛矿结构由于独特的性能和广泛的应用前景开始引起人们的注意。大量的研究发现Bi2WO6 BWO)在可见光下具备优异的光催化性能,与TiO2复合,可以得到在紫外和可见光下同时响应、光生载流子分离效率高的新型光催化剂。

    武汉大学物理科学与技术学院潘春旭教授研究组近几年在国家973课题的资助下,主要从事光催化材料制备及其光催化机理的研究。最近,该课题组利用水热法制备出粒径均匀分布在15 nm左右的BWO纳米颗粒,并通过静电纺丝法将其与TiO2复合,形成TiO2-BWO异质纳米纤维,并测试其在紫外-可见波段范围内的光催化性能。研究发现,由于BWO的存在,电纺纤维表面出现大量开裂结构,这种开裂结构很像树干刚刚开始萌发枝叶的结构。我们认为这是因为TiO2BWO纳米颗粒的热传导率不同造成。这种开裂结构可以在很大程度上提高纳米纤维的比表面积,从而提高其吸附能力。同时,TiO2/BWO复合纳米纤维在紫外和可见光下都具有良好的吸收,从而使其在紫外-可见光下具有两种催化模式:1)紫外模式。当紫外光照射在样品上,TiO2BWO价带上的电子同时激发到各自导带,同时在价带上产生空穴。由于TiO2BWO的能级较为匹配,TiO2导带上的电子容易转移到BWO的导带,而BWO价带上的空穴则可转移到TiO2的价带上,从而在很大程度上提高了光生载流子的分离效率;2)可见光模式。与紫外模式不同的是,TiO2在可见光的照射下并不能受激产生光生载流子,而BWO价带上的电子可跃迁到导带,形成电子-空穴对。此时BWO价带上的空穴同样可转移到TiO2的价带上,从而实现光生载流子的分离,提高光催化效率。

    这项工作采用新方法将BWO纳米颗粒与TiO2纳米纤维复合,制备出TiO2-BWO纳米异质纤维。实验结果显示,这种新型光催化剂具有较大的比表面积和良好的吸附能力,由于TiO2BWO的能级匹配,纳米异质纤维在紫外和可见光下同时具有良好的光生载流子分离效率和光催化能力。这些优异的性能,使其在今后的应用中能大幅提高对太阳光的吸收与利用,更好地解决人类赖以生存的水体和大气污染问题。

    该项研究已经发表在《Journal of American Ceramic Society, 2011, 94(12):4157–4161。(http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/j.1551-2916.2011.04905.x/abstract这项工作得到了国家“973”课题的支持。

 

                                           

1 TiO2/BWO纳米异质纤维光催化机理图。(a) 紫外模式,(b) 可见模式

2TiO2/BWO纳米异质纤维XRD谱图

3SEM表征结果。(a)纯TiO2纳米纤维,(bTiO2/BWO纳米异质纤维

4TiO2/BWO纳米异质纤维的TEMEDS mapping表征结果

5 光催化实验结果。(a)漫反射谱,(b)能带计算图,(c)紫外-可见光降解曲线。(d)降解速率曲线

 



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