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催化剂的不同晶面由于表面能以及原子结构的差别,催化能力会表现出很大的不同,对于锐钛矿相TiO2来说,典型的三个晶面的表面能分别为:{001} 0.90 J/m2 > {100} 0.53 J/m2 > {101} 0.44 J/m2,故而一般认为(001)面的催化能力高于(100)及(101)面。
研究发现,(001)面暴露比例可由氢氟酸的浓度来控制,变化范围为10-80%左右。目前,对于(001)面暴露比例的计算方法主要有两种:1)TEM对单个锐钛矿TiO2颗粒的观察,通过各个面的边长来推断(001)面暴露的比例。2)XRD计算暴露比例的方法如下:假设(001)面暴露TiO2纳米颗粒为截角八面体结构,通过谢乐公式可算出[001]方向厚度d,[100]方向平均边长l。同时,我们知道(001)面与(101)面的夹角ɵ为68.3度。那么通过下列公式可大致算出(001)面暴露比例:
对于XRD的表征方法来看,需要假设样品均为规则形状,并且尺寸大小平均。因此,容易导致实验误差。
武汉大学物理科学与技术学院潘春旭课题组最近研究发现,Raman光谱是一种测定锐钛矿相TiO2(001)面暴露比例的有效方法。该方法基于如下原理:不同晶面锐钛矿相TiO2的成键方式、键的振动模式均不同,从而导致Raman峰形、峰位随着暴露比例的变化而变化,如图1所示。
图1 (a)(101)面TiO2表面原子振动模式,(b)(001)面TiO2表面原子振动模式
与此同时,我们从实验上对该方法做出了很好的印证。首先,利用水热法(通过添加不同比例的HF)制备出不同(001)面暴露比例的TiO2纳米片层,并对其进行结构表征,TEM和Raman测试结果如图2所示。
图2 TEM和Raman表征结果
对不同(001)面暴露比例的TiO2纳米片层进行Raman表征,可以看出锐钛矿相TiO2的Raman峰位分别位于144cm-1,394cm-1,514cm-1和636cm-1。但同时也可看出,随着HF含量的增加(也就是(001)面暴露比例的增加),Eg峰的强度(144和636cm-1)降低,而B1g(394cm-1)和A1g(514cm-1)峰的强度反而增加。这是由于锐钛矿相TiO2的Eg峰是由O−Ti−O的对称伸缩振动所致,主要归结于(101)面表面Ti、O键,而B1g和A1g峰分别是由O−Ti−O的对称弯曲振动和非对称弯曲振动所致,主要归结于(001)面表面Ti、O键。鉴于此,我们可以利用Raman光谱中Eg峰和A1g峰的强度比来判断(001)面暴露比例,其结果与TEM和XRD结果相似。
本工作发表在The Journal of Physical Chemistry C, 2012, 116 (13): 7515–7519. (http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jp301256h)
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