Solar RRL:从能带模型观点看氟化二氧化钛表面的光催化分解有机化合物

水是人类宝贵的资源,但随着社会的快速发展,水资源的污染大大超过了其自净化的能力,严重影响到社会经济的全面协调可持续发展和威胁到人类、动植物的生存。工业污染源、农业污染源和生活污染源含有大量的有机成分污染物,人为参与降解此类污染物是一个巨大的挑战。利用太阳光与半导体的相互作用产生的电子空穴对以及与此相关的自由基来降解有机污染物是非常有前景的一种降解手段。

二氧化钛是一种廉价且具有广阔应用前景的材料,尤其是它的光催化方面的应用更是引起人们的广泛关注,如光催化分解水制氢、污水处理、空气净化、抗菌杀毒等。为了进一步提高TiO2的光催化活性,一些途径被提出,例如,可以对TiO2表面进行修饰,包括简单小分子的吸附、染料分子的敏化或在表面形成络合物层、贵金属沉积在TiO2表面上。

其中,TiO2表面的氟化非常容易实现:TiO2的水悬浮液加入氟盐,表面的羟基(Ti-OH)被氟离子取代就形成了氟化(Ti-F)。实验研究表面,TiO2表面的氟化程度依赖于溶液的pH值。pH低于3,TiO2表面氟化基本是完全的;pH值在3到9之间,Ti-OH和Ti-F共存;pH大于9,TiO2不会氟化。TiO2的氟化对光催化降解有机物的影响通常的解释为:氟化影响了TiO2表面的催化活性位点、表面的酸碱度以及表面的疏水和亲水性质。

东南大学物理学院董帅课题组尝试从能带模型去理解氟化TiO2的光催化活性的改变。光催化降解有机污染物的一般原理:光照到TiO2上可产生光生电子空穴对,进而生成活泼自由基O2OH等,自由基将有机污染物直接氧化为CO2和H2O及其它无机小分子物质。从能带模型可以很容易看出由光生电子空穴生成活泼自由基的情况。氟化的TiO2相比较氢化的TiO2而言,它的能带更远离真空能级,价带的光生空穴具有更强的氧化性,有利于羟基自由基的产生,但导带的光生电子将不利于超氧离子自由基的生成。如果系统里没有其它光生电子消除剂,那么导带的光生电子将累积或复合,从而抑制羟基自由基的产生,最终将使有机物降解效率降低,正如实验上所观察到的那样。从能带模型上也可以给出提高氟化TiO2的光催化降解有机污染物的效率的方法,即添加光生电子消除剂。相关论文在线发表在Solar RRL(DOI: 10.1002/solr.201700183)上。

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