氧等離子體活化及羥基化增強氧化鈦基光催化劑活性的研究.pdf

1、氧化鈦作為一種最典型的光催化劑體系，其實際應用面臨的一個關(guān)鍵問題是如何增強其可見和紫外光催化活性。為此，本論文開展了氧等離子體活化增強Au/TiO2的可見光催化活性和羥基化增強無定形氧化鈦的紫外光催化活性的研究。
　　負載納米金粒子的Au/TiO2因其表面等離子共振效應，是一種備受關(guān)注的可見光催化劑。為獲得高活性的Au/TiO2可見光催化劑，本論文采用大氣壓介質(zhì)阻擋放電開展了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、輸入功率和放電時間等影響因素基礎(chǔ)上，進一步開展了焙燒活化、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光催化活性，闡明了氧等離子體活化增強Au/TiO2的可見光催化活性機理。隨后開展了氧等離子體活化的Au/TiO2上可見光催化氧化脫除甲醛反應的研究。最后，采用化學氣相沉積法，在大氣壓和室溫下制備了羥基化無定形氧化鈦及其不同溫度焙燒處理的樣品，比較了羥基化無定形與銳鈦礦樣品的結(jié)構(gòu)、光

3、學性質(zhì)、化學組成、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可見光催化劑在CO氧化反應中的活性，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。在本實驗考察范圍內(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可見光催化氧化反應中，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過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金含量最低，但它的正價金在誘導

5、期能快速還原為零價金。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，增強了其可見光催化活性。
　　(3)氧等離子體活化的Au/TiO2在可見光催化氧化脫除甲醛反應中，展現(xiàn)了比焙燒活化樣品更高的活性和更短的誘導期。氧等離子體活化樣品在該反應的誘導期，隨著光強和濕度的增加，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，縮短了反應的誘導期，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，因此在該反應中顯現(xiàn)了比焙燒活化樣品更高的活性。針對氧等離子體活化樣品的可見光催化反應動力學研究，建立了一個有關(guān)光強和濕度影響的反應速率常數(shù)方程，導出了其可見光催化反應本征速率常數(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)的濕度對反應速率所展現(xiàn)的強的正效應、強的負效應和微弱的負效

7、應。
　　(4)在大氣壓和室溫下制備了羥基化無定形氧化鈦(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中，展現(xiàn)了最高的表觀量子效率（高達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