不同温度焙烧所得样品的TEM图
TiO2光催化剂是一种非常有发展前途的废水污染治理材料, 但由于光催化反应速率低, 限制了其在工业中的实际应用, 因此如何有效地提高TiO2光催化反应速率是目前重点要解决的问题. 贵金属(Pt、Ru、Au)掺杂被认为是提高TiO2光催化反应性能较为有效的方法之一, 尤其是当Au纳米粒子被发现在催化燃烧、选择性氧化反应中具有高的低温催化活性后, Au掺杂改性TiO2光催化性能的研究便受到越来越多的关注.
研究发现, Au掺杂引入的杂质能级可以加快TiO2上光生电子和空穴的传输速率, 减少电子-空穴复合, 提高光催化效率.Subramanian等认为在光催化反应过程中,Au在TiO2表面同样存在尺寸效应, 3 nm左右的Au纳米颗粒尺寸对TiO2的平均Fermi能级影响最大. 有文献认为, Au掺杂虽然增强了样品对可见光的吸收, 但却使样品在紫外光下的光催化性能变差. 同样掺杂Au的化学价态也是一个关键因素, Au3+/Au0比例变化, 既可使Au变为一个光催化活性位, 也可使Au变为电子和空穴的复合中心. 因此考察Au掺杂方式和光催化性能的关系是有必要的.
浙江工业大学化学工程与材料科学学院徐柏庆等人结合超临界乙醇干燥技术, 采用沉积-沉淀(DP)和共沉淀(CP)法分别制备了具有单一锐钛矿晶相的Au/TiO2和Au(0.2%, 原子分数)-TiO2光催化剂, 通过XRD、BET、TEM、XPS 和Raman手段表征样品中Au的掺杂形态, 以光催化降解甲基橙为模型反应考察了样品的光催化活性. 结果表明, DP法制备的Au/TiO2在110℃干燥处理后, 表面存在的Au3+能有效地促进锐钛矿TiO2光催化性能, 其一级反应速率常数比纯锐钛矿TiO2提高了3.2倍, 比商用光催化剂Degussa-P25提高了4.1倍, 而当Au3+被还原为Au0后光催化活性下降. 用CP法制备的Au-TiO2并没有较大地提高锐钛矿TiO2光催化性能, 在焙烧温度达到800℃时, Au向表面迁移聚集, 造成锐钛矿TiO2晶格氧空位和缺陷位增加, 使光催化活性下降.