光催化技術(shù)可以利用光照激發(fā)半導(dǎo)體產(chǎn)生的導(dǎo)帶電子和價(jià)帶空穴與表面微環(huán)境作用生成的O2·-(超氧自由基)、·OH（羥基自由基）等自由基，直接或間接地進(jìn)行氧化還原降解有機(jī)污染物或分解水獲取氫氣。因此，光催化技術(shù)在能源和環(huán)境治理方面受到人們的廣泛關(guān)注。目前，光催化發(fā)展的關(guān)鍵仍在于研發(fā)高效、可見光響應(yīng)和穩(wěn)定的光催化材料。鈦酸鹽作為一種層狀鈣鈦礦結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體，近年來作為高效的可見光響應(yīng)催化劑得到廣泛研究。
中國科學(xué)院新疆理化技術(shù)研究所環(huán)境科學(xué)與技術(shù)研究室科研人員采用熔鹽法合成制備出層狀鈦酸鹽。在較低溫度和較短時(shí)間條件下，制備出形狀規(guī)則的薄片結(jié)構(gòu)鈦酸鹽，相比于其他方法，熔鹽法具有制備條件簡單、成本較低等優(yōu)點(diǎn)。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，通過簡單控制熔鹽原料的相對摩爾比就能夠可控制備出邊長和厚度可調(diào)節(jié)的鈦酸鹽材料，即通過熔鹽法實(shí)現(xiàn)了鈦酸鹽的大小和厚度可控制備。
科研人員利用可控制備的鈦酸鹽樣品對羅丹明B偶氮染料（Rhodamine B，RhB）進(jìn)行可見光催化降解實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，熔鹽法制備出的鈦酸鹽材料對于可見光響應(yīng)效率較高。進(jìn)一步分析表明，材料的大小和厚度對于光催化降解RhB有很明顯的差異。通過EIS（Electrochemical Impedance Spectroscopy）和KPFM（Kelvin Probe Force Microscopy）實(shí)驗(yàn)分析證實(shí)，由于所制備出的鈦酸鹽材料在沿其c軸方向有4 μC cm−2的自發(fā)極化，在其c軸方向會產(chǎn)生內(nèi)部電場，故而在可見光照射下，材料所激發(fā)出的光生空穴和電子在內(nèi)部電場的導(dǎo)向下會各自有效分離，從而提高材料的光生空穴和電子的分離效率，進(jìn)而提高其光催化性能。該研究為鈦酸鹽的可控制備及高效光催化材料的篩選提供了新的方法和借鑒，并且為研究層狀鈣鈦礦材料的自發(fā)極化在光催化性能方面的作用奠定了基礎(chǔ)。
相關(guān)研究成果已發(fā)表在Applied Catalysis B: Environmental，2014, 156-157, 35-43上。該研究得到了國家自然科學(xué)基金、中科院“百人計(jì)劃”、新疆維吾爾自治區(qū)青年科技創(chuàng)新人才培養(yǎng)工程、自治區(qū)國際合作等項(xiàng)目的資助。
規(guī)則薄片狀鈦酸鹽材料的光生空穴和電子轉(zhuǎn)移機(jī)理及可將光降解RhB研究
