Fe、N共摻雜TiO2納米管陣列的制備及可見光光催化活性

吳 奇 蘇鈺豐 孫 嵐 王夢曄 王瑩瑩 林昌健

(廈門大學化學化工學院化學系,福建廈門361005)

Fe、N共摻雜TiO2納米管陣列的制備及可見光光催化活性

吳 奇 蘇鈺豐 孫 嵐*王夢曄 王瑩瑩 林昌健

(廈門大學化學化工學院化學系,福建廈門361005)

應用電化學陽極氧化法結合浸漬和退火后處理制備了Fe和N共摻雜的TiO2納米管陣列光催化劑,并用場發射掃描電鏡(FESEM)、X射線衍射(XRD)、X射線光電子能譜(XPS)和俄歇電子能譜(AES)儀對其進行了表征.結果表明,Fe、N共摻雜對TiO2納米管陣列的形貌和結構沒有明顯影響,Fe和N均摻入了TiO2晶格.紫外-可見(UV-Vis)漫反射光譜顯示Fe和N共摻雜TiO2納米管陣列的吸收帶邊較純TiO2納米管陣列和單一摻雜TiO2納米管陣列紅移,可見光吸收增強.以可見光催化降解羅丹明B(RhB)考察了材料的光催化活性,Fe和N共摻雜TiO2納米管陣列對RhB的降解速率較純TiO2納米管陣列和單一摻雜TiO2納米管陣列明顯提高,證明了Fe、N共摻雜產生的協同效應提高了TiO2納米管陣列在可見光照射下的光催化活性.

Fe和N;共摻雜;TiO2納米管陣列;羅丹明B;可見光

1 引言

電化學陽極氧化法制得的高度有序的二氧化鈦(TiO2)納米管陣列膜除了具有傳統TiO2的催化活性高、價廉、耐腐蝕性強以及無污染1等一系列優點外,還具有比表面積大、光生電子傳導速率快、易施加偏壓,介電性能優良等特點,2近年來已成為國內外競相研究的熱點之一.然而,由于其和傳統的TiO2一樣帶隙較寬(Eg=3.2 eV),只能吸收波長小于387.5 nm的紫外光,而這部分紫外光(λ＜400 nm)僅約占太陽光的4%,在太陽光譜中占絕大多數的可見光部分未得到有效利用,從而限制了其實際應用.因此,開發可見光響應型TiO2納米管陣列光催化劑成為目前光催化領域科學家所面臨的一個重要挑戰.已有的研究發現,對TiO2納米管陣列進行適當的摻雜或表面改性如非金屬離子摻雜、3-6金屬離子摻雜、7,8貴金屬修飾、2,9半導體復合10,11和染料敏化12-14等可以增強TiO2納米管陣列對可見光的吸收,有效地抑制光生電子和空穴的復合,從而提高其可見光光催化活性.在用于對TiO2進行改性的非金屬元素中,N由于具有和O相似的尺寸,能形成亞穩的深能級受主(AX)中心以及較小的電離能而被認為是最有效的摻雜劑.15近年來,一些非金屬共摻雜TiO2納米管陣列的研究工作16,17證實了非金屬共摻雜產生的二元協同效應可以提高TiO2納米管陣列的可見光光催化活性,其對有機污染物的可見光催化效率優于單一摻雜.然而,對TiO2納米管陣列進行陰陽離子共摻雜鮮有報道.眾所周知,對TiO2進行金屬離子摻雜可在其晶格中引入新電荷、形成缺陷或改變晶格類型,從而改變TiO2的能帶結構,最終改變TiO2的光催化活性.Fe3+具有半充滿d電子構型,且離子半徑與Ti4+相近,是理想的摻雜金屬之一.通過在陽極氧化的電解液中加入Fe3+已經成功制得了Fe摻雜TiO2納米管陣列.8Isimjan等18在含有K3Fe(CN)6的乙二醇溶液中采用一步陽極氧化的方法成功制得了Fe、C、N共摻雜的TiO2納米管陣列,有效地提高了TiO2納米管陣列對可見光的響應.有研究表明,采用不同離子共摻雜,19如陰、陽離子共摻雜20-22等方法不僅可以增大TiO2光催化劑的光吸收范圍,而且能夠有效地提高其光催化活性.

本工作采用電化學陽極氧化法結合浸漬和退火后處理在純Ti表面制備Fe和N(Fe-N)共摻雜的TiO2納米管陣列光催化劑,分析摻雜離子在陣列膜層內的分布.以羅丹明B為目標污染物,考察Fe和 N共摻雜TiO2納米管陣列的可見光光催化活性,并與純TiO2納米管陣列和單一摻雜TiO2納米管陣列的光催化活性進行對比.

2 實驗部分

2.1 實驗材料和試劑

工業純Ti板(純度＞99%)由福建冶金工業研究所提供.所用試劑HF(40%,質量分數,下同)、Fe(NO3)3、NH3·H2O(25%-28%)和羅丹明B(RhB)均為分析純,且均為國藥集團化學試劑有限公司生產.

2.2 Fe、N共摻雜TiO2納米管陣列的制備

將工業級純Ti板用水磨砂紙逐級打磨至表面無明顯劃痕,然后依次用丙酮、無水乙醇、去離子水超聲清洗.在室溫下,Ti板為陽極,鉑片為陰極,分別以0.5%(質量分數)HF水溶液和含有0.1 mol·L-1Fe(NO3)3的0.5%HF水溶液為電解液,在10 V電壓下陽極氧化30 min,然后用大量去離子水沖洗樣品表面,自然干燥.將樣品置于馬弗爐中450°C恒溫熱處理2 h,分別制得純TiO2納米管陣列(TiO2NTs)和Fe摻雜TiO2納米管陣列(Fe-TiO2NTs).將上述Fe摻雜TiO2納米管陣列樣品在1 mol·L-1NH3·H2O溶液中浸泡10 h,取出后立即放入馬弗爐中在450°C恒溫熱處理2 h,制得Fe-N共摻雜TiO2納米管陣列(Fe-N-TiO2NTs).為了進行對比,將純TiO2納米管陣列在1 mol·L-1NH3·H2O溶液中浸泡10 h,取出后在馬弗爐中450°C恒溫熱處理2 h,制得N摻雜TiO2納米管陣列(N-TiO2NTs).

2.3 Fe、N共摻雜TiO2納米管陣列的表征

采用日本日立公司S4800場發射掃描電子電鏡(FESEM)觀察樣品的表面形貌并測試膜層厚度.采用荷蘭Philips公司Panalytical X?pert轉靶X射線衍射(XRD)儀測試樣品的晶體結構.測試參數為:Cu Kα靶,λ為0.15406 nm,工作電流30 mA,工作電壓40 kV,狹縫系統為1 DS-1 SS-0.15 mm RS,以石墨單色器濾波.采用英國VG公司Physical Electrons Quantum 2000 Scanning Esca Microprob光電子能譜儀測定樣品的X射線光電子能譜(XPS).Al靶Kα射線,結合能以C 1s(284.8 eV)為基準.采用美國Varian公司Cary 5000型紫外-可見-近紅外(UV-Vis-NIR)分光光度計表征樣品的光吸收特性.采用美國Perkine-Elemer公司生產的PHI 660俄歇電子能譜(AES)儀檢測陣列膜層內的組分及含量.

2.4 TiO2納米管陣列可見光光催化活性測試

光催化實驗是在自制的石英雙層夾套反應裝置中進行,內層裝有羅丹明B(RhB)溶液,外層持續通過冷卻水,反應體系的溫度控制在30°C.采用500 W鹵鎢燈作為光源.具體過程為:將TiO2納米管陣列樣品(10 mm×10 mm)放入30 mL、5 mg·L-1RhB水溶液中浸泡30 min,并持續通入純凈空氣,使樣品與RhB溶液之間達到吸脫附平衡.樣品表面距離光源10 cm,樣品與光源之間加一濾光片,用以濾去波長λ＜420 nm的光.光照的同時開始計時,應用日本島津公司生產的UV-2100型紫外-可見分光光度計在λ=558 nm處測定光催化過程中RhB的吸光度變化,以此計算RhB的殘余濃度.根據一級動力學公式ln(C0/C)＝kt(其中C0,C分別為起始和光照t時間后溶液的濃度),線性擬合實驗數據可求出光催化降解的表觀反應速度常數k,用以判斷和比較催化劑的光催化活性.

3 結果與討論

3.1 SEM和XRD分析

圖1為TiO2納米管陣列和分別經過摻Fe、N以及Fe-N共摻雜改性后的TiO2納米管陣列的SEM圖,圖1(a)中的插圖為TiO2納米管陣列的側面SEM圖.從圖1(a)可以看出,TiO2膜層表面呈規則的納米管陣列排布,納米管直徑為40-60 nm,膜層厚度約為400 nm.比較圖1(a)與(b)、(c)、(d)可以看出,摻雜后的TiO2納米管陣列的形貌結構沒有明顯變化,只是納米管陣列表面的粗糙程度較未摻雜的TiO2納米管陣列有所增加.

圖2為TiO2納米管陣列和分別經過摻Fe、N以及Fe-N共摻雜改性后的TiO2納米管陣列的XRD圖.圖中所有譜線在25.3°和47.9°處都各有一特征峰,分別為銳鈦礦TiO2的(101)和(200)衍射峰(JCPDS No.21-1272),這表明經過450°C熱處理后所得到的納米管陣列膜為銳鈦礦相.與未摻雜的TiO2納米管陣列膜進行比較,發現N摻雜對TiO2晶體結構影響不大,而經過 Fe摻雜后,Fe-TiO2NTs和Fe-NTiO2NTs樣品中(101)和(200)衍射峰的強度明顯減弱,這一結果與已報道的結果8一致,是由于Fe的摻入抑制了TiO2由無定型向銳鈦礦相的轉變所致.

3.2 XPS和AES分析

圖3(a)為Fe-N共摻雜TiO2納米管陣列的XPS全譜圖.從圖中可以看出,制得的樣品中含有Ti、O、Fe和N元素.圖3(b,c)分別為Fe 2p和N 1s的高分辨XPS譜圖.圖3(b)中位于710.7和724.5 eV的譜峰分別歸屬于Fe 2p3/2和Fe 2p1/2,表明Fe元素是以Fe3+的形式23取代了TiO2中部分Ti4+進入了TiO2晶格中,形成Ti-O-Fe網絡.圖3(c)中位于(402±0.2)eV附近的譜峰歸屬于吸附的零價態的N,24位于(396±0.2)eV處的XPS峰則歸屬于β-N(N3-),25這主要是由于TiO2納米管陣列在由無定型轉變為銳鈦礦型的過程中,部分N以取代晶格中氧的形式進入TiO2晶格中,形成N-Ti-O網絡所致.Fe3+和N3-的摻入所形成的Ti-O-Fe網絡和N-Ti-O網絡增加了TiO2的活性比表面積和表面缺陷,26,27二者的協同作用有利于拓寬TiO2的光響應范圍和提高材料的光催化活性.28

圖1 納米管陣列的SEM圖Fig.1 SEM images of nanotube arrays NT:nanotube array;(a)pure TiO2NTs,(b)Fe-TiO2NTs,(c)N-TiO2NTs,(d)Fe-N-TiO2NTs

圖2 不同樣品的XRD圖Fig.2 XRD patterns of different samples

為了確定摻入膜層的Fe元素和N元素在膜層內由表及里的分布情況,測試了Fe-N共摻雜TiO2納米管陣列的AES譜圖,如圖4所示.膜層中F元素的含量極低,它是在陽極氧化過程中由HF電解液引入的.在樣品表面O和Ti的原子數之比大于2:1,隨著陣列膜層深度的增加,O和Ti的原子數之比逐漸接近2:1.這主要是由于納米管陣列表面含有吸附態的O的緣故,膜層越深,吸附態的O越少,O/Ti比值趨于2:1.同時可以看出,膜層中Fe的含量很少而且也由表及里逐漸降低,這表明Fe元素主要存在于納米管表面和一定深度的膜層內.然而,N元素的含量隨著膜層深度的增加,先快速增加而后緩慢增加,并趨于穩定,這表明N元素較均勻地分布在整個TiO2納米管陣列膜層中.

3.3 UV-Vis吸收光譜

圖5比較了純TiO2和Fe摻雜、N摻雜以及Fe-N共摻雜TiO2納米管陣列在200-800 nm波長范圍內的光吸收.插圖為根據公式(αhν)2=A(hν-Eg) (式中,α為吸收系數,A為與材料有關的常數,h為普朗克常數,ν為光的頻率,Eg為禁帶能量)29計算得到的(αhν)1/2

圖3 Fe-N共摻雜TiO2納米管陣列的XPS譜圖Fig.3 XPS patterns of Fe-N codoped TiO2nanotube arrays(a)XPS survey spectrum;(b)Fe 2p;(c)N 1s

圖4 Fe-N共摻雜TiO2納米管陣列膜層各種元素的AES圖Fig.4 AES of the different elements in Fe-N codoped TiO2 nanotube array film

-hν的關系曲線.可以看出,純TiO2納米管陣列的主要吸收波長小于380 nm的紫外光,對應于銳鈦礦型TiO2的本征吸收,而其在可見光范圍內小的波動峰是由于TiO2納米顆粒捕獲電荷載流子的吸收疊加造成的.26與TiO2納米管陣列的光吸收進行比較,Fe、N摻雜以及Fe-N共摻雜TiO2納米管陣列光吸收帶邊均發生了不同程度的紅移,在可見光區的光吸收增強.從(αhν)1/2-hν關系圖中可以得到TiO2納米管陣列、N摻雜、Fe摻雜和Fe-N共摻雜TiO2納米管陣列的帶隙分別為3.26、3.03、2.93和2.73 eV,即帶隙順序為TiO2NTs＞N-TiO2NTs＞Fe-TiO2NTs＞Fe-N-TiO2NTs,進一步說明Fe和N成功地摻入了TiO2晶格,增強了TiO2納米管陣列對可見光的響應.Fe摻雜TiO2納米管陣列吸收帶邊紅移是由于Fe3+的3d軌道上的電子能被可見光激發,電荷在3d軌道與TiO2的導帶或價帶之間轉移造成440 nm附近的吸收;30而550 nm附近的吸收與Fe3+的d-d躍遷(2T2g→2A2g,2T1g)或相互作用的Fe離子之間的電荷轉移(Fe3++Fe3+→Fe4++Fe2+)有關.31N摻雜TiO2納米管陣列中,N元素2p軌道的電子態會與O元素2p軌道的電子態混合,使TiO2帶隙變窄,光響應紅移到可見光區,32同時N摻雜還會在TiO2表面形成較穩定的氧空位,可增強TiO2的可見光響應.33在三種摻雜TiO2納米管陣列中,由于Fe-N共摻雜表現出協同作用,因而Fe-N共摻雜TiO2納米管陣列的可見光響應最為顯著.

圖5 不同樣品的紫外-可見吸收光譜Fig.5 UV-Vis diffuse reflectance spectra of different sampleshv:photo energy;The inset is the estimated band gap by Kubelka-Munk function.

3.4 光催化活性

不同摻雜的光催化劑可見光光催化降解RhB的ln(C0/C)-t關系圖示于圖6.相應的反應速率常數列于表1.由圖可以看出,RhB在可見光照射下存在一定的自降解,單一的Fe或N摻雜TiO2納米管陣列的光催化活性均高于純TiO2納米管陣列;Fe-N共摻雜納米管陣列的光催化活性最高,其反應速率常數較純TiO2納米管陣列提高了約1倍.四種催化劑光催化活性的順序是:TiO2＜Fe-TiO2＜N-TiO2＜Fe-N-TiO2.

由于可見光下RhB可發生光敏化,34因而有一定的自降解.當以純TiO2納米管陣列為催化劑時,由于TiO2不能被可見光激發,因此TiO2納米管陣列對RhB的降解是因RhB的光敏化所致.RhB吸附在TiO2納米管陣列表面的Ti4+位上,35在可見光下RhB被激發,受激電子注入到TiO2導帶并被吸附在表面的溶解氧捕獲生成超氧自由基,進而將RhB氧化降解.反應過程如下:

圖6 不同樣品光催化降解RhB的動力學曲線Fig.6 RhB photodegradation kinetic curves of the different samples

表1 不同樣品在可見光照射下降解羅丹明B的一級表觀速率常數(k)Table 1 First-order apparent rate constants(k)of different samples for RhB photodegradation under visible light irradiation

上式中RhB*是光照條件下羅丹明B生成的活性中間體,e-

cb表示位于TiO2導帶上的電子.當以Fe摻雜TiO2納米管陣列為催化劑時,由于Fe3+/Fe4+能級高于銳鈦礦相TiO2的價帶底,36,37Fe摻雜TiO2能夠吸收波長大于400 nm的光.在可見光下,3d電子從Fe3+中心被激發到TiO2導帶,在Fe3+/Fe4+能級上留下Fe4+.導帶上的受激電子還原吸附在表面的溶解氧產生O-2可降解RhB,而Fe4+能夠將溶液中的OH-氧化成羥基自由基·OH,從而進一步降解RhB.同時,由于Fe3+可以和帶有羧酸基的有機物分子形成配位化合物,38因而RhB也可以吸附在Fe-TiO2表面的Fe3+位上被Fe4+氧化成Fe3+.39反應過程如下:

4 結論

采用陽極氧化法先制得Fe摻雜TiO2納米管陣列,再通過在NH3·H2O溶液中浸漬和隨后的熱處理制備出Fe-N共摻雜TiO2納米管陣列.Fe和N的摻入使TiO2納米管陣列的起始帶邊發生了明顯的紅移,對可見光的吸收隨之增強.可見光降解RhB實驗表明,摻雜提高了TiO2納米管陣列的光催化效率, Fe-N共摻雜產生的協同效應共同提高了TiO2納米管陣列在可見光下降解RhB的效率,表現出最好的光催化活性.

(1) Zhang,X.R.;Lin,Y.H.;Zhang,J.F.;He,D.Q.;Wang,D.J. Acta Phys.-Chim.Sin.2010,26,2733. [張曉茹,林艷紅,張健夫,何冬青,王德軍.物理化學學報,2010,26,2733.]

(2) Xie,K.P.;Sun,L.;Wang,C.L.;Lai,Y.K.;Wang,M.Y.;Chen, H.B.;Lin,C.J.Electrochim.Acta 2010,55,7211.

(3) Lu,N.;Quan,X.;Li,J.Y.;Chen,S.;Yu,H.T.;Chen,G.H. J.Phys.Chem.C 2007,111,11836.

(4) Park,J.H.;Kim,S.;Bard,A.J.Nano Lett.2005,6,24.

(5) Tang,X.H.;Li,D.Y.J.Phys.Chem.C 2008,112,5405.

(6) Vitiello,R.P.;Macak,J.M.;Ghicov,A.;Tsuchiya,H.;Dick,L. F.P.;Schmuki,P.Electrochem.Commun.2006,8,544.

(7) Liu,H.J.;Liu,G.G.;Zhou,Q.X.J.Solid.State.Chem.2009, 182,3238.

(8) Sun,L.;Li,J.;Wang,C.L.;Li,S.F.;Chen,H.B.;Lin,C.J.Sol. Energy Mater.Sol.Cells 2009,93,1875.

(9) Mohapatra,S.K.;Kondamudi,N.;Banerjee,S.;Misra,M. Langmuir 2008,24,11276.

(10) Wang,C.L.;Sun,L.;Yun,H.;Li,J.;Lai,Y.K.;Lin,C.J. Nanotechnology 2009,20,295601.

(11)Hou,Y.;Li,X.Y.;Zhao,Q.D.;Quan,X.;Chen,G.H.Adv. Funct.Mater.2010,20,2165.

(12) Zhu,K.;Neale,N.R.;Miedaner,A.;Frank,A.J.Nano Lett. 2006,7,69.

(13) Wang,J.;Lin,Z.Q.Chem.Mater.2009,22,579.

(14)Ye,M.D.;Xin,X.K.;Lin,C.J.;Lin,Z.Q.Nano Lett.2011,11, 3214.

(15) Park,C.H.;Zhang,S.B.;Wei,S.H.Phys.Rev.B 2002,66, 073202.

(16) Chen,X.Q.;Su,Y.L.;Zhang,X.W.;Lei,L.C.Chin.Sci.Bull. 2008,53,1983.[陳秀琴,蘇雅玲,張興旺,雷樂成.科學通報,2008,53,1983.]

(17) Zhou,X.S.;Peng,F.;Wang,H.J.;Yu,H.;Yang,J.Electrochem. Commun.2011,13,121.

(18) Isimjan,T.T.;Ruby,A.E.;Rohani,S.;Ray,A.K. Nanotechnology 2010,21,055706.

(19) Shen,Y.F.;Xiong,T.Y.;Du,H.;Jin,H.Z.;Shang,J.K.;Yang, K.J.Sol-Gel.Sci.Technol.2009,50,98.

(20) Li,X.;Chen,Z.M.;Shi,Y.C.;Liu,Y.Y.Powder Technol.2011, 207,165.

(21)Yang,X.X.;Cao,C.D.;Erickson,L.;Hohn,K.;Maghirang,R.; Klabunde,K.Appl.Catal.B:Environ.2009,91,657.

(22) Sun,X.J.;Liu,H.;Dong,J.H.;Wei,J.Z.;Zhang,Y.Catal. Lett.2010,135,219.

(23) Tong,T.Z.;Zhang,J.L.;Tian,B.Z.;Chen,F.;He,D.N. J.Hazard.Mater.2008,155,572.

(24) Saha,N.C.;Tompkins,H.G.J.Appl.Phys.1992,72,3072.

(25)Ao,Y.H.;Xu,J.J.;Fu,D.G.;Yuan,C.W.J.Hazard.Mater. 2009,167,413.

(26) Lu,W.L.;Shi,L.Y.;Xie,X.F.;Zhang,J.P.;Li,X.L.Journal of Shanghai University(Natural Science)2004,10,289. [陸文璐,施利毅,謝曉峰,張劍平,李希玲.上海大學學報(自然科學版),2004,10,289.]

(27)Yu,X.B.;Wang,G.H.;Luo,Y.Q.;Chen,X.H.;Zhu,J.Journal of Shanghai Teachers University(Natural Science)2000,29, 75.[余錫賓,王桂華,羅衍慶,陳秀紅,朱 建.上海師范大學學報(自然科學版),2000,29,75.]

(28) Tao,J.J.;Zhang,Y.F.;Zhang,L.F.;Yao,H.;Liu,Y.H.Journal of Functional Materials 2010,42,824. [陶金建,章宇飛,張廉奉,姚 皓,劉艷華.功能材料,2010,42,824.]

(29)Wu,D.Y.;Long,M.C.;Cai,W.M.;Chen,C.;Wu,Y.H. J.Alloy.Compd.2010,502,289.

(30) Umebayashi,T.;Yamaki,T.;Itoh,H.;Asai,K.J.Phys.Chem. Sol.2002,63,1909.

(31) Zhu,J.F.;Chen,F.;Zhang,J.L.;Chen,H.J.;Anpo,M. J.Photochem.Photobiol.A-Chem.2006,180,196.

(32)Asahi,R.;Morikawa,T.;Ohwaki,T.;Aoki,K.;Taga,Y.Science 2001,293,269.

(33) Ihara,T.;Miyoshi,M.;Iriyama,Y.;Matsumoto,O.;Sugihara,S. Appl.Catal.B 2003,42,403.

(34) Ma,Y.;Yao,J.N.J.Photochem.Photobiol.A-Chem.1998,116, 167.

(35) Li,Y.X.;Lu,G.X.;Li,S.B.J.Photochem.Photobiol.A-Chem. 2002,152,219.

(36) Ma,Y.;Zhang,X.T.;Guan,Z.S.;Cao,Y.A.;Yao,J.N. J.Mater.Res.2001,16,2928.

(37) Zhu,J.F.;Zheng,W.;He,B.;Zhang,J.L.;Anpo,M.J.Mol. Catal.A-Chem.2004,216,35.

(38) Litter,M.I.;Baumgartner,E.C.;Urrutia,G.A.;Blesa,M.A.; Environ.Sci.Technol.1991,25,1907.

(39) Cao,J.L.;Wu,Z.C.;Cao,F.H.;Zhang,J.Q.J.Inorg.Mater. 2007,22,514.[曹江林,吳祖成,曹發和,張鑒清.無機材料學報,2007,22,514.]

(40) Ma,Y.F.;Zhang,J.L.;Tian,B.Z.;Chen,F.;Wang,L.Z. J.Hazard.Mater.2010,182,386.

(41)Wu,Y.M.;Xing,M.Y.;Tian,B.Z.;Zhang,J.L.;Chen,F. Chem.Eng.J.2010,162,710.

November 14,2011;Revised:December 15,2011;Published on Web:December 23,2011.

Preparation and Visible Light Photocatalytic Activity of Fe-N Codoped TiO2Nanotube Arrays

WU Qi SU Yu-Feng SUN Lan*WANG Meng-Ye WANG Ying-Ying LIN Chang-Jian
(Department of Chemistry,College of Chemistry and Chemical Engineering,Xiamen University,Xiamen 361005, Fujian Province,P.R.China)

Fe-N codoped TiO2nanotube arrays were fabricated by anodization of Ti,followed by wet immersion and annealing post-treatment.The dopedTiO2nanotube arrayphotocatalystswere characterized by field-emission scanning electron microscopy(FESEM),X-ray diffraction(XRD),X-ray photoelectron spectroscopy(XPS),and Auger electron spectroscopy(AES).The results indicated that Fe and N dopants had almost no effect on the morphology and structure of TiO2nanotube arrays,and that Fe and N were doped into the TiO2lattice.UV-Vis diffuse reflectance spectra showed that the absorption band edge of Fe-N codoped TiO2nanotube arrays exhibited a red shift compared with that of pure TiO2nanotube arrays and Fe-or N-doped TiO2nanotube arrays.The photocatalytic activity of Fe-N codoped TiO2nanotube arrays was evaluated by their ability to degrade rhodamine B under visible light irradiation.The degradation rate of rhodamine B over Fe-N codoped TiO2nanotube arrays was obviously higher than that over pure TiO2nanotube arrays and Fe-or N-doped TiO2nanotube arrays,which is attributed to the synergistic effect of the Fe and N codopants.

Fe and N;Codoping;TiO2nanotube array;Rhodamine B;Visible light

10.3866/PKU.WHXB201112231

O644

?Corresponding author.Email:sunlan@xmu.edu.cn;Tel:+86-10-2184655.

The project was supported by the National Natural Science Foundation of China(51072170,21021002),Natural Science Foundation of Fujian Province,China(2011J01057),and National Foundation for Fostering Talents of Basic Science,China(J1030415).

國家自然科學基金(51072170,21021002),福建省自然科學基金(2011J01057)和國家基礎科學人才培養基金(J1030415)資助項目