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简易合成酰胺肟化的PAN纤维支撑的TiO2,用做可见光驱动的光催化剂

发布时间:2021-08-03 14:24:59 浏览量:2321 作者:Leaf

摘要

通过太阳能转化为化学能,TiO2在解决环境问题上具有很大的潜力。然而由于其较差的光响应(小于400 nm),极大地限制了其大规模

应用。天津工业大学赵晓明团队首次以酰胺肟化聚丙烯腈(PAN)纤维为载体,通过简单的水热法合成了一种可见光驱动的TiO2催化

剂。纤维状双齿配体不仅通过配体-金属电荷转移(LMCT)敏化促进TiO2的可见光捕获,而且促进了TiO2中N原子的掺杂。这种独特的

结构使得TiO2在可见光(λ > 420 nm)照射下具有很高的光催化活性,可以降解多种新型有机污染物,这是由LMCT和N型掺杂机制共同

决定的。该项研究结果可能为设计可见光驱动的环境修复光催化剂提供一种新的策略。

正文


引言

通过太阳能转化为化学能,TiO2在解决环境问题上具有很大的潜力。然而由于其较差的光响应(小于400 nm),极大地限制了其大规模

应用。天津工业大学赵晓明团队首次以酰胺肟化聚丙烯腈(PAN)纤维为载体,通过简单的水热法合成了一种可见光驱动的TiO2催化

剂。纤维状双齿配体不仅通过配体-金属电荷转移(LMCT)敏化促进TiO2的可见光捕获,而且促进了TiO2中N原子的掺杂。这种独特的

结构使得TiO2在可见光(λ > 420 nm)照射下具有很高的光催化活性,可以降解多种新型有机污染物,这是由LMCT和N型掺杂机制共同

决定的。该项研究结果可能为设计可见光驱动的环境修复光催化剂提供一种新的策略。


实验

该实验中以PAN纤维为载体,制备了一种新型TiO2催化剂。通过羟胺对PAN纤维改性得到酰胺肟化PAN纤维(AO-PAN)。以P25

悬浮液代替TiO2溶胶,得到了AO-PAN负载P25的催化剂(P25-PAN)。


表征与分析


如上图(a)是PAN、AO-PAN和TiO2催化剂的紫外-可见漫反射光谱。纯TiO2与P25光谱几乎差不多,只吸收紫外区域的光(低于

400nm)。PAN纤维本身不吸收可见光,而酰胺肟化使AO-PAN在500nm以下有轻微的吸收。TiO2- PAN比P25-PAN具有更高的可

光吸收能力,这是因为TiO2溶胶比晶态良好的TiO2更容易与AO-PAN配合。此外,TiO2-PAN的强可见光响应也可能与N掺杂有

关,通过N 2pπ向Ti dxy的转变,引起了400 ~ 550 nm左右的吸收增强。相反,P25-PAN不应该掺杂N,因为络合作用几乎不会影响

TiO2结晶。通过改变AO-PAN中的CP%值,我们还研究了酰胺肟基的数量对TiO2-PAN光学吸收的影响(图b)。结果表明,TiO2-PAN

的可见光吸收强度高度依赖于其丁腈转化,进一步证实了酰胺肟基团在延长TiO2可见光区光响应方面发挥了关键作用。


为了证明纤维状催化剂中有效的电荷转移,我们展示了固定TiO2后的AO-PAN光发射变化的光谱。为避免TiO2的激发,在400 nm激

发波长下获得了AO-PAN、P25-PAN和TiO2- PAN的PL光谱。如上图a所示,由于分离电荷的稳定性较差,AO-PAN在450 nm左右表

现出明显的PL吸收,而P25-PAN和TiO2- PAN的PL强度明显较弱,吸附范围更广,说明TiO2负载可以显著提高电荷分离效率,证明了

光电子从纤维配体转移到TiO2的电荷转移复合物的成功形成。


如上图b所示,TiO2-PAN和P25-PAN的衰减曲线用双指数函数拟合得很好,并据此计算了它们的寿命。结果表明,TiO2-PAN的载流

子寿命(2.075 ns)高于P25-PAN (1.275 ns),进一步证明了TiO2-PAN中有效的电荷分离。



如上图为可能的光催化机制。在可见光照射下,酰胺肟基配体直接激发电子到TiO2导带,并伴随着AO-PAN中生成的h+(空穴)。然

而, 与以往研究不同的是,纤维支撑体并未经历明显的TiO2自降解和裂解,因此,氧化能力较低的有机配体中生成的空穴可以通过捕获

光催化过程中产生的还原物种的一个电子来恢复。此外,酰胺肟配位产生的N掺杂剂也提供了可见光活性电荷转移的途径,电子从N 

2p能级被激发到TiO2导带。生成的导带电子可以与捕获的溶解氧反应生成O2−,这是染料降解的主要ROS。 


文章信息

这一成果以“Facile synthesis of amidoximated PAN fiber-supported TiO2for visible light driven photocatalysis”为题发表

的,天津工业大学韩振邦副教授和赵晓明教授为论文的通讯作者。


本研究采用的是Nanobase XperRam S共聚焦光电测试系统。


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