iO2(a)和Pt/TiO2(b)粉末的TEM图像
TiO2半导体光催化技术作为一种新型的环境污染物净化技术引起了广泛的关注. 二氧化钛作为一种清洁、低能耗的具有绿色催化过程的光催化剂, 在环境污染治理、能源转换、化学合成等方面具有诱人的应用前景. 但是这一技术真正从实验室走向工业规模化应用,还需做大量的基础研究工作. 传统的TiO2光催化技术以人工紫外光作为光源, 成本昂贵, 限制了光催化技术的工业化应用, 太阳能是一种理想的廉价光源, 但TiO2是宽禁带(Eg＝3.2 eV)半导体化合物, 只能利用波长较短的太阳光能(λ＜387 nm), 而这部分紫外线只占到达地面太阳光能的5%以下, 太阳能利用效率很低. 另一方面, 受光激发形成的空穴和电子易于复合, 降低了光量子利用效率. 因此缩短催化剂的禁带宽度使吸收光谱向可见光谱扩展和抑制TiO2光生电子与空穴的复合是提高太阳能利用率的技术关键.
为了这些技术难题, 人们尝试用各种金属离子进行掺杂对其进行改性研究. 掺杂可在半导体表面引入缺陷位置或改变结晶度, 影响电子与空穴的复合或拓展光的吸收波段, 从而影响TiO2的光催化活性. 但是目前金属元素的掺杂, 大都仅注重研究个别过渡金属离子掺杂对TiO2催化剂光催化活性的影响, 对贵金属掺杂体系研究得很少, 对改性机制的认识也是众说纷纭.
目前研究的大部分贵金属Pt改性TiO2催化剂是由光化学法沉积法和离子注入法获得, 用溶胶凝胶法制备的Pt/TiO2催化剂较少. 由于Pt/TiO2的催化活性强烈地依赖于TiO2的价态、结构以及Pt与TiO2之间的细微作用, 中国工程物理研究院刘秀华等人采用溶胶-凝胶法制备了铂掺杂的TiO2粉末, 利用透射电子显微镜、X射线光电子能谱、紫外可见光谱和X射线衍射技术对粉末的结构和光吸收性能进行了表征. 结果表明, Pt/TiO2粉末主要含有Ti, O, Pt和C元素, 其中Pt主要以0价态存在. 573～873 K焙烧的Pt/TiO2粉末中, TiO2是锐钛矿结构, 973 K焙烧时, 有6.3%的TiO2转变为金红石结构.Pt/TiO2粉末的晶粒尺寸小, 铂和锐钛矿结构TiO2粒子都是纳米颗粒. 随焙烧温度升高, 粉末中TiO2的晶粒尺寸逐渐增大, 晶格常数a和c发生各向异性的变化, 单胞体积在相变时发生收缩. 与TiO2粉末相比, Pt/TiO2粉末中两种结构TiO2的晶格常数和晶胞体积基本上都增大了, 光谱吸收范围被明显拓展至可见光, 实现了可见光催化的基础.