Fabrication and photocatalytic performance of Sn-doped titania hollow spheres using polystyrene as template

材料科学 锐钛矿 结晶度 成核 化学工程 溶解度 掺杂剂 光催化 金红石 离子半径 兴奋剂 复合材料 物理化学 有机化学 离子 光电子学 工程类 催化作用 化学
作者
Jie‐Yu Wang,Hangjuan Ren,Wen‐Fan Chen,Pramod Koshy,Charles C. Sorrell
出处
期刊:Ceramics International [Elsevier]
卷期号:44 (5): 4981-4989 被引量:14
标识
DOI:10.1016/j.ceramint.2017.12.092
摘要

Sn-doped anatase hollow spheres were fabricated using a template method involving polystyrene spheres as core and anatase coating as shell. The synthesis route included the preparation of PS spheres, followed by their coating by Sn-doped TiO2 sol-gel precursor and subsequent removal of the PS cores by pyrolysis and recrystallization at 500 °C for 2 h. The observation of minor amounts of rutile suggests that Sn promotes the anatase → rutile phase transformation. At doping levels of ≤ 1.0 mol% Sn, the unsaturated solubility and increasing defect densities enhanced nucleation. At 1.0–2.0 mol% Sn, the solubility remained unsaturated but increasing Sn incorporation reduced crystallinity owing to lattice deformation and partial amorphization. At 2.0–3.0 mol% Sn, solid solution saturation occurred, resulting in excess dopant precipitation, leading to grain boundary pinning and partial blockage of surface-active sites. Ionic radii, thermodynamic, phase equilibria, intervalence charge transfer, and defect chemistry considerations suggest that Sn4+ exhibits substitutional solid solubility in the TiO2 lattice. The photocatalytic performance was in the order 1.0 > 1.2 > 1.5 ≈ 0.7 > 2.0 > 0.0 > 3.0 mol% Sn. This ranking is consistent with the dominant role of crystallinity such that, at ≤ 1.0 mol% Sn, the performance increased owing to enhanced nucleation from low defect density and increasing crystallinity while, at 1.0–2.0 mol% Sn, the performance decreased from increased lattice strain and effective partial amorphization, and, at 2.0–3.0 mol% Sn, it decreased from maximal lattice strain and blockage of active sites.

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