TaTiC?/C控制氧化制備中空Ta?O?/TiO?及其光催化性能研究一、引言1.1研究背景與意義隨著工業(yè)化進程的加速和全球人口的增長，能源短缺與環(huán)境污染問題日益嚴峻，成為制約人類社會可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵因素。傳統(tǒng)化石能源的過度依賴導(dǎo)致資源逐漸枯竭，同時其燃燒過程中排放的大量污染物，如溫室氣體、氮氧化物、硫化物等，對生態(tài)環(huán)境造成了極大的破壞。尋求清潔、可再生的能源以及高效的環(huán)境污染治理技術(shù)，已成為當今科學(xué)界和工業(yè)界的研究重點。半導(dǎo)體光催化技術(shù)作為一種綠色、可持續(xù)的技術(shù)手段，在解決能源和環(huán)境問題方面展現(xiàn)出巨大的潛力。該技術(shù)利用半導(dǎo)體材料在光照射下產(chǎn)生的光生載流子（電子-空穴對），引發(fā)一系列氧化還原反應(yīng)，從而實現(xiàn)對有機污染物的降解、水的分解制氫以及二氧化碳的還原等過程。在眾多半導(dǎo)體光催化材料中，二氧化鈦（TiO?）憑借其化學(xué)穩(wěn)定性高、催化活性良好、價格相對低廉、無毒無害等顯著優(yōu)點，成為了研究最為廣泛和深入的材料之一，在光催化領(lǐng)域占據(jù)重要地位。然而，TiO?本身也存在一些固有的缺陷，限制了其光催化性能的進一步提升。一方面，TiO?的禁帶寬度較大，銳鈦礦型約為3.2eV，金紅石型約為3.0eV，這使得它只能吸收波長較短的紫外光，而紫外光僅占太陽光總能量的約5%，對太陽能的利用率較低；另一方面，光生載流子在TiO?內(nèi)部的復(fù)合率較高，導(dǎo)致光生載流子的壽命較短，無法充分參與光催化反應(yīng)，從而降低了光催化效率。因此，如何克服TiO?的這些局限性，提高其光催化性能，成為了光催化領(lǐng)域研究的關(guān)鍵問題。為了提升TiO?的光催化性能，科研人員開展了大量的研究工作，其中構(gòu)建TiO?基復(fù)合材料是一種非常有效的策略。通過將TiO?與其他材料復(fù)合，可以充分利用不同材料之間的協(xié)同效應(yīng)，實現(xiàn)對光生載流子的有效分離和傳輸，拓展光吸收范圍，從而顯著提高TiO?的光催化性能。五氧化二鉭（Ta?O?）是一種寬帶隙半導(dǎo)體材料，具有高折射率、低光學(xué)損耗和良好的化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)點。將Ta?O?與TiO?復(fù)合形成中空Ta?O?/TiO?復(fù)合材料，有望結(jié)合兩者的優(yōu)勢，提高光催化性能。中空結(jié)構(gòu)具有比表面積大、光散射能力強等特點，能夠增加光催化劑與反應(yīng)物的接觸面積，提高光的利用效率。因此，制備中空Ta?O?/TiO?復(fù)合材料并研究其光催化性能具有重要的理論和實際意義。本研究旨在通過TaTiC?/C控制氧化的方法制備中空Ta?O?/TiO?復(fù)合材料，系統(tǒng)研究其結(jié)構(gòu)、形貌和光催化性能，揭示其光催化反應(yīng)機理，為開發(fā)高效的光催化材料提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。通過本研究，有望為解決環(huán)境污染和能源短缺問題提供新的途徑和方法，推動光催化技術(shù)的實際應(yīng)用和發(fā)展。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1TaTiC?/C材料的研究現(xiàn)狀TaTiC?/C是一種具有獨特結(jié)構(gòu)和性能的復(fù)合材料，近年來受到了科研人員的廣泛關(guān)注。TaTiC?作為一種三元碳化物，兼具金屬和陶瓷的優(yōu)良特性，如高硬度、高熔點、良好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性等。而碳（C）的引入不僅可以提高材料的韌性和可加工性，還能通過與TaTiC?的協(xié)同作用，賦予復(fù)合材料更多優(yōu)異的性能。在制備方法方面，目前主要采用粉末冶金法、化學(xué)氣相沉積法（CVD）、溶膠-凝膠法等。粉末冶金法是將Ta、Ti、C等粉末按一定比例混合，經(jīng)過壓制、燒結(jié)等工藝制備TaTiC?/C復(fù)合材料，該方法工藝相對簡單，但難以精確控制材料的微觀結(jié)構(gòu)和成分均勻性。CVD法能夠在基底表面生長出高質(zhì)量的TaTiC?/C薄膜，可精確控制薄膜的厚度和成分，但設(shè)備昂貴，制備過程復(fù)雜，產(chǎn)量較低。溶膠-凝膠法通過金屬醇鹽的水解和縮聚反應(yīng)制備前驅(qū)體，再經(jīng)過高溫煅燒得到TaTiC?/C復(fù)合材料，該方法可以實現(xiàn)對材料微觀結(jié)構(gòu)的精細調(diào)控，制備出的材料純度高、均勻性好，但制備周期長，成本較高。在應(yīng)用領(lǐng)域，TaTiC?/C復(fù)合材料已在切削刀具、耐磨涂層、電極材料等方面展現(xiàn)出潛在的應(yīng)用價值。例如，將TaTiC?/C作為刀具涂層材料，能夠顯著提高刀具的硬度、耐磨性和切削性能，延長刀具的使用壽命；在電極材料方面，TaTiC?/C復(fù)合材料的良好導(dǎo)電性和穩(wěn)定性使其有望應(yīng)用于鋰離子電池、超級電容器等儲能設(shè)備中，提高電池的充放電性能和循環(huán)穩(wěn)定性。1.2.2Ta?O?/TiO?復(fù)合材料的研究現(xiàn)狀Ta?O?/TiO?復(fù)合材料是一種新型的半導(dǎo)體復(fù)合材料，由于Ta?O?和TiO?之間的協(xié)同效應(yīng)，使其在光催化、傳感器、光學(xué)器件等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，成為近年來的研究熱點之一。在光催化性能研究方面，眾多研究表明，Ta?O?的引入能夠有效拓展TiO?的光吸收范圍，提高光生載流子的分離效率，從而提升復(fù)合材料的光催化活性。Wang等通過水熱法制備了Ta?O?/TiO?納米復(fù)合材料，研究發(fā)現(xiàn)，當Ta?O?的含量為一定比例時，復(fù)合材料在可見光下對羅丹明B的降解率明顯高于純TiO?，這是因為Ta?O?與TiO?形成了異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，促進了光生電子-空穴對的分離和遷移。Zhang等采用溶膠-凝膠法制備了Ta?O?/TiO?復(fù)合薄膜，實驗結(jié)果表明，該復(fù)合薄膜對甲基橙的光催化降解效率隨著Ta?O?含量的增加先升高后降低，在最佳含量時，光催化效率比純TiO?薄膜提高了約50%，這歸因于Ta?O?的能級調(diào)節(jié)作用，使得復(fù)合材料能夠更好地吸收和利用光能。在制備方法上，除了上述的水熱法和溶膠-凝膠法外，還有靜電紡絲法、共沉淀法等。靜電紡絲法可以制備出具有一維納米結(jié)構(gòu)的Ta?O?/TiO?復(fù)合纖維，這種纖維結(jié)構(gòu)具有較大的比表面積和良好的光散射性能，有利于提高光催化效率。共沉淀法是將含有Ta和Ti的金屬鹽溶液在沉淀劑的作用下共同沉淀，經(jīng)過后續(xù)處理得到Ta?O?/TiO?復(fù)合材料，該方法操作簡單，成本較低，但制備的材料粒徑分布較寬，可能會影響材料的性能。1.2.3中空結(jié)構(gòu)材料在光催化領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀中空結(jié)構(gòu)材料由于其獨特的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，如大比表面積、低密度、高孔隙率等，在光催化領(lǐng)域展現(xiàn)出優(yōu)異的性能，成為提高光催化效率的重要研究方向之一。中空結(jié)構(gòu)能夠增加光催化劑與反應(yīng)物的接觸面積，提供更多的活性位點，從而提高光催化反應(yīng)速率。同時，中空結(jié)構(gòu)還可以增強光的散射和反射，延長光在材料內(nèi)部的傳播路徑，提高光的利用效率。例如，Liu等制備了中空TiO?微球，通過實驗發(fā)現(xiàn)，中空TiO?微球?qū)喖谆{的光催化降解效率明顯高于實心TiO?微球，這是因為中空結(jié)構(gòu)增加了光的散射，使得更多的光能夠被TiO?吸收，同時提供了更多的表面活性位點，促進了光催化反應(yīng)的進行。在制備中空結(jié)構(gòu)材料的方法上，模板法是常用的一種方法。模板法可分為硬模板法和軟模板法，硬模板法通常以SiO?、聚苯乙烯（PS）微球等為模板，通過在模板表面包覆活性物質(zhì)，再去除模板得到中空結(jié)構(gòu)材料；軟模板法則利用表面活性劑、聚合物等自組裝形成的膠束、乳液等作為模板來制備中空結(jié)構(gòu)。此外，還有噴霧干燥法、溶劑熱法等。噴霧干燥法是將含有活性物質(zhì)的溶液通過噴霧形成微小液滴，在熱空氣的作用下快速干燥，形成中空結(jié)構(gòu)；溶劑熱法是在高溫高壓的有機溶劑體系中，通過化學(xué)反應(yīng)制備中空結(jié)構(gòu)材料，該方法可以精確控制材料的形貌和結(jié)構(gòu)。1.2.4研究現(xiàn)狀分析盡管目前在TaTiC?/C材料、Ta?O?/TiO?復(fù)合材料以及中空結(jié)構(gòu)材料在光催化領(lǐng)域的研究都取得了一定的進展，但仍存在一些不足之處。對于TaTiC?/C控制氧化制備中空Ta?O?/TiO?復(fù)合材料的研究還相對較少，制備工藝還不夠成熟，難以精確控制材料的中空結(jié)構(gòu)和Ta?O?/TiO?的復(fù)合比例，從而影響材料的光催化性能。在Ta?O?/TiO?復(fù)合材料的研究中，雖然對其光催化性能有了一定的認識，但對于Ta?O?與TiO?之間的協(xié)同作用機制以及光生載流子的傳輸和復(fù)合過程還不夠清晰，這限制了對材料性能的進一步優(yōu)化。在中空結(jié)構(gòu)材料的研究中，現(xiàn)有的制備方法大多存在工藝復(fù)雜、成本高、產(chǎn)量低等問題，不利于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。此外，如何進一步提高中空結(jié)構(gòu)材料的光催化穩(wěn)定性和循環(huán)使用性能也是亟待解決的問題。因此，開發(fā)簡單、高效、低成本的制備工藝，深入研究材料的結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系，揭示光催化反應(yīng)機理，是未來該領(lǐng)域的研究重點和發(fā)展方向。1.3研究內(nèi)容與方法1.3.1研究內(nèi)容本研究旨在通過TaTiC?/C控制氧化制備中空Ta?O?/TiO?復(fù)合材料，并對其光催化性能進行深入研究，具體研究內(nèi)容如下：中空Ta?O?/TiO?復(fù)合材料的制備：以TaTiC?/C為前驅(qū)體，通過控制氧化工藝，制備中空Ta?O?/TiO?復(fù)合材料。系統(tǒng)研究氧化溫度、氧化時間、氣體流量等制備條件對材料結(jié)構(gòu)、形貌和組成的影響，優(yōu)化制備工藝，獲得具有理想中空結(jié)構(gòu)和Ta?O?/TiO?復(fù)合比例的復(fù)合材料。材料的結(jié)構(gòu)與形貌表征：采用X射線衍射（XRD）、掃描電子顯微鏡（SEM）、透射電子顯微鏡（TEM）、比表面積分析（BET）等多種表征手段，對制備的中空Ta?O?/TiO?復(fù)合材料的晶體結(jié)構(gòu)、微觀形貌、比表面積、孔徑分布等進行詳細表征，分析材料的結(jié)構(gòu)特征與制備條件之間的關(guān)系。材料的光催化性能研究：以常見的有機污染物（如羅丹明B、甲基橙等）為目標降解物，在紫外光和可見光照射下，考察中空Ta?O?/TiO?復(fù)合材料的光催化降解性能。研究催化劑用量、污染物初始濃度、溶液pH值、光照強度等因素對光催化反應(yīng)速率的影響，優(yōu)化光催化反應(yīng)條件，提高光催化降解效率。光催化反應(yīng)機理研究：運用光致發(fā)光光譜（PL）、表面光電壓譜（SPS）、瞬態(tài)光電流響應(yīng)等技術(shù)，研究中空Ta?O?/TiO?復(fù)合材料的光生載流子的產(chǎn)生、分離和傳輸過程，探討Ta?O?與TiO?之間的協(xié)同作用機制。結(jié)合自由基捕獲實驗和電子順磁共振（EPR）技術(shù)，確定光催化反應(yīng)過程中產(chǎn)生的主要活性物種，揭示光催化反應(yīng)的機理。1.3.2研究方法針對上述研究內(nèi)容，本研究擬采用以下研究方法：實驗研究方法：材料制備實驗：按照設(shè)定的實驗方案，準確稱取TaTiC?/C前驅(qū)體，放入高溫管式爐中，在不同的氧化條件下進行反應(yīng)，制備中空Ta?O?/TiO?復(fù)合材料。嚴格控制實驗過程中的溫度、時間、氣體流量等參數(shù)，確保實驗的可重復(fù)性。性能測試實驗：將制備好的復(fù)合材料進行光催化性能測試。搭建光催化反應(yīng)裝置，采用氙燈模擬太陽光，通過控制反應(yīng)體系的溫度、攪拌速度等條件，進行光催化降解實驗。定時取反應(yīng)液，利用紫外-可見分光光度計測定目標污染物的濃度變化，計算光催化降解率。表征實驗：對制備的材料和反應(yīng)過程中的樣品進行各種表征測試。使用XRD分析材料的晶體結(jié)構(gòu)和物相組成；SEM和TEM觀察材料的微觀形貌和顆粒尺寸；BET測試材料的比表面積和孔徑分布；PL、SPS、瞬態(tài)光電流響應(yīng)等技術(shù)研究材料的光學(xué)性能和光生載流子行為；自由基捕獲實驗和EPR技術(shù)確定光催化反應(yīng)中的活性物種。數(shù)據(jù)分析方法：數(shù)據(jù)處理：對光催化性能測試和表征實驗得到的數(shù)據(jù)進行整理和統(tǒng)計分析，運用Origin等軟件繪制圖表，直觀展示實驗結(jié)果。通過線性回歸、非線性擬合等方法，分析實驗數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，確定影響材料性能的關(guān)鍵因素。對比分析：將中空Ta?O?/TiO?復(fù)合材料的性能與純TiO?、Ta?O?以及其他已報道的光催化劑進行對比分析，評估本研究制備材料的優(yōu)勢和不足，為進一步改進材料性能提供參考。機理分析：結(jié)合實驗結(jié)果和相關(guān)理論知識，建立光催化反應(yīng)機理模型，對光催化過程中的現(xiàn)象進行合理解釋，深入探討材料的結(jié)構(gòu)與性能之間的內(nèi)在聯(lián)系。二、實驗材料與方法2.1實驗材料本實驗中所需的主要材料包括TaTiC?粉末、碳源、氧化劑以及其他輔助試劑，具體信息如下：TaTiC?粉末：作為制備中空Ta?O?/TiO?復(fù)合材料的關(guān)鍵前驅(qū)體，其純度對最終產(chǎn)物的性能有著重要影響。本實驗選用純度≥99%的TaTiC?粉末，平均粒徑約為5μm，購自[供應(yīng)商名稱1]。該供應(yīng)商提供的TaTiC?粉末具有較高的純度和均勻的粒徑分布，能夠保證實驗結(jié)果的穩(wěn)定性和可重復(fù)性。碳源：為了在控制氧化過程中形成中空結(jié)構(gòu)，選擇了葡萄糖（C?H??O?）作為碳源，其純度≥99.5%，分析純級別，購自[供應(yīng)商名稱2]。葡萄糖在高溫下能夠分解產(chǎn)生碳，并且其分解過程相對溫和，有利于在TaTiC?表面均勻地形成碳層，進而在后續(xù)的氧化過程中實現(xiàn)中空結(jié)構(gòu)的構(gòu)建。氧化劑：實驗中采用氧氣（O?）作為氧化劑，其純度≥99.99%，由[氣體供應(yīng)商名稱]提供。氧氣在控制氧化過程中起著關(guān)鍵作用，通過精確控制氧氣的流量和反應(yīng)時間，可以實現(xiàn)對TaTiC?和碳的選擇性氧化，從而制備出具有理想結(jié)構(gòu)和組成的中空Ta?O?/TiO?復(fù)合材料。其他輔助試劑：實驗過程中還用到了無水乙醇（C?H?OH），純度≥99.7%，分析純，用于清洗和分散樣品，購自[供應(yīng)商名稱3]；鹽酸（HCl），質(zhì)量分數(shù)為36%-38%，分析純，用于調(diào)節(jié)溶液的pH值，購自[供應(yīng)商名稱4]。這些輔助試劑在實驗中各自發(fā)揮著重要作用，對實驗的順利進行和結(jié)果的準確性有著不可或缺的影響。2.2實驗設(shè)備在本次研究中，為了確保實驗的順利進行以及對實驗結(jié)果進行準確的分析，使用了多種先進的儀器設(shè)備，其型號、功能和用途如下：高溫管式爐（型號：[具體型號1]，生產(chǎn)廠家：[廠家名稱1]）：主要用于對TaTiC?/C前驅(qū)體進行控制氧化反應(yīng)，以制備中空Ta?O?/TiO?復(fù)合材料。該高溫管式爐具有精確的溫度控制系統(tǒng)，控溫精度可達±1℃，能夠在50-1500℃的溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定運行。通過程序升溫功能，可以按照設(shè)定的升溫速率和保溫時間進行加熱，滿足不同實驗條件下對溫度的要求。其內(nèi)部采用優(yōu)質(zhì)的隔熱材料，有效減少熱量散失，提高能源利用效率。同時，配備有氣體流量控制系統(tǒng)，可精確控制氧氣等氣體的通入流量，流量調(diào)節(jié)范圍為0-1000mL/min，確保氧化反應(yīng)在合適的氣氛條件下進行。掃描電子顯微鏡（SEM，型號：[具體型號2]，生產(chǎn)廠家：[廠家名稱2]）：用于觀察中空Ta?O?/TiO?復(fù)合材料的微觀形貌和表面結(jié)構(gòu)。該SEM的分辨率可達1.0nm（15kV時），能夠清晰地呈現(xiàn)材料的顆粒大小、形狀以及團聚情況等信息。通過二次電子成像和背散射電子成像技術(shù)，可以獲得材料表面的細節(jié)特征和成分分布的初步信息。配備的能譜儀（EDS）可對材料表面微區(qū)的元素組成進行定性和半定量分析，元素分析范圍為Be-U，為研究材料的成分和結(jié)構(gòu)提供重要依據(jù)。此外，SEM還具有低電壓成像功能，能夠在較低加速電壓下對非導(dǎo)電樣品進行觀察，減少樣品的荷電效應(yīng)，提高圖像質(zhì)量。透射電子顯微鏡（TEM，型號：[具體型號3]，生產(chǎn)廠家：[廠家名稱3]）：進一步深入分析中空Ta?O?/TiO?復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)，如晶體結(jié)構(gòu)、晶格條紋、界面結(jié)構(gòu)以及內(nèi)部的缺陷等。TEM的加速電壓為200kV，點分辨率可達0.23nm，晶格分辨率為0.14nm，能夠提供高分辨率的微觀圖像。通過選區(qū)電子衍射（SAED）技術(shù)，可以確定材料的晶體結(jié)構(gòu)和取向；高分辨透射電子顯微鏡（HRTEM）圖像能夠直觀地展示材料的晶格結(jié)構(gòu)和原子排列方式，有助于深入研究材料的微觀結(jié)構(gòu)特征。同時，TEM還可以與能量色散X射線光譜儀（EDS）聯(lián)用，對材料內(nèi)部的元素分布進行微區(qū)分析。X射線衍射儀（XRD，型號：[具體型號4]，生產(chǎn)廠家：[廠家名稱4]）：用于確定中空Ta?O?/TiO?復(fù)合材料的晶體結(jié)構(gòu)和物相組成。采用CuKα輻射源（λ=0.15406nm），管電壓為40kV，管電流為40mA，掃描范圍為10°-80°，掃描速度為0.02°/s。通過XRD圖譜，可以分析材料中各物相的特征衍射峰，從而確定材料的晶體結(jié)構(gòu)和成分；利用謝樂公式還可以計算材料的晶粒尺寸。此外，XRD還可用于研究材料在不同制備條件下晶體結(jié)構(gòu)的變化，為優(yōu)化制備工藝提供理論依據(jù)。比表面積分析儀（BET，型號：[具體型號5]，生產(chǎn)廠家：[廠家名稱5]）：測定中空Ta?O?/TiO?復(fù)合材料的比表面積、孔徑分布和孔容等參數(shù)。該儀器基于Brunauer-Emmett-Teller（BET）理論，采用氮氣吸附-脫附法進行測量。能夠測量的比表面積范圍為0.01-5000m2/g，孔徑分析范圍為1.7-300nm，孔容測量精度可達0.001cm3/g。通過BET分析，可以了解材料的表面性質(zhì)和孔隙結(jié)構(gòu)，這些參數(shù)對于評估材料的光催化性能具有重要意義，較大的比表面積和合適的孔徑分布有利于提高光催化劑與反應(yīng)物的接觸面積，從而提高光催化效率。紫外-可見分光光度計（型號：[具體型號6]，生產(chǎn)廠家：[廠家名稱6]）：在光催化性能測試中，用于測定目標污染物（如羅丹明B、甲基橙等）的濃度變化。該儀器的波長范圍為190-1100nm，波長精度為±0.3nm，光度精度為±0.002Abs（0-0.5Abs）和±0.003Abs（0.5-1.0Abs）。通過測量不同時間點反應(yīng)液在特定波長下的吸光度，根據(jù)朗伯-比爾定律計算出污染物的濃度，進而計算光催化降解率，評估中空Ta?O?/TiO?復(fù)合材料的光催化活性。此外，還可用于分析材料的光吸收性能，研究材料對不同波長光的吸收能力。光致發(fā)光光譜儀（PL，型號：[具體型號7]，生產(chǎn)廠家：[廠家名稱7]）：研究中空Ta?O?/TiO?復(fù)合材料的光生載流子的復(fù)合情況。該PL光譜儀采用連續(xù)波長的激發(fā)光源，激發(fā)波長范圍為200-800nm，發(fā)射波長范圍為250-900nm，分辨率可達0.1nm。通過測量材料在光激發(fā)下發(fā)射的熒光光譜，可以了解光生載流子的復(fù)合過程和壽命，較低的PL強度通常表示光生載流子的復(fù)合率較低，有利于提高光催化效率。PL光譜分析能夠為研究材料的光催化機理提供重要的信息，揭示光生載流子的產(chǎn)生、遷移和復(fù)合規(guī)律。表面光電壓譜儀（SPS，型號：[具體型號8]，生產(chǎn)廠家：[廠家名稱8]）：用于研究中空Ta?O?/TiO?復(fù)合材料的表面光生伏特效應(yīng)，分析材料的光生載流子的分離和傳輸特性。該儀器能夠測量材料在不同波長光照射下的表面光電壓信號，通過表面光電壓譜的分析，可以了解材料的能帶結(jié)構(gòu)、光生載流子的產(chǎn)生和分離效率等信息。SPS技術(shù)為深入研究材料的光催化性能提供了有力的手段，有助于揭示光催化反應(yīng)中光生載流子的行為機制，為優(yōu)化材料的光催化性能提供理論指導(dǎo)。瞬態(tài)光電流響應(yīng)測試系統(tǒng)（型號：[具體型號9]，生產(chǎn)廠家：[廠家名稱9]）：測試中空Ta?O?/TiO?復(fù)合材料在光照下的瞬態(tài)光電流響應(yīng)，評估材料的光生載流子的分離和傳輸效率。該系統(tǒng)由光源、電化學(xué)工作站和光電化學(xué)池等部分組成，能夠提供穩(wěn)定的光照條件和精確的電流測量。通過記錄材料在光開關(guān)過程中的瞬態(tài)光電流變化，可以反映光生載流子的產(chǎn)生、分離和傳輸情況，快速且強的瞬態(tài)光電流響應(yīng)表明材料具有較高的光生載流子分離效率和良好的電荷傳輸性能，有利于提高光催化反應(yīng)速率。瞬態(tài)光電流響應(yīng)測試是研究材料光催化性能的重要手段之一，能夠為材料的光催化機理研究提供直接的實驗證據(jù)。2.3TaTiC?/C控制氧化制備中空Ta?O?/TiO?的方法2.3.1實驗原理TaTiC?/C控制氧化制備中空Ta?O?/TiO?的過程基于選擇性氧化和碳的模板效應(yīng)原理。在高溫有氧環(huán)境下，TaTiC?首先發(fā)生氧化反應(yīng)。TaTiC?中的Ta元素被氧化為Ta?O?，其化學(xué)反應(yīng)方程式如下：4TaTiCa??+15Oa??\stackrel{\Delta}{=\!=\!=}2Taa??Oa??+4TiOa??+8COa??在此過程中，TaTiC?中的C元素也會與氧氣發(fā)生反應(yīng)，生成二氧化碳（CO?）氣體逸出：C+Oa??\stackrel{\Delta}{=\!=\!=}COa??碳在這個體系中起到了關(guān)鍵的模板作用。在氧化反應(yīng)初期，碳均勻地分布在TaTiC?顆粒表面，形成一層包覆層。隨著氧化反應(yīng)的進行，TaTiC?逐漸被氧化為Ta?O?和TiO?，而碳則不斷被消耗。由于碳的存在，在其被氧化的過程中，會在材料內(nèi)部留下空隙，這些空隙逐漸融合、擴大，最終形成中空結(jié)構(gòu)。同時，生成的TiO?與Ta?O?相互結(jié)合，形成Ta?O?/TiO?復(fù)合材料。Ta?O?和TiO?的能帶結(jié)構(gòu)不同，二者復(fù)合后會形成異質(zhì)結(jié)。在光激發(fā)下，光生載流子能夠在異質(zhì)結(jié)界面處有效分離，從而提高材料的光催化性能。此外，中空結(jié)構(gòu)的形成不僅增加了材料的比表面積，還能增強光的散射和反射，延長光在材料內(nèi)部的傳播路徑，進一步提高光的利用效率，從而提升中空Ta?O?/TiO?復(fù)合材料的光催化活性。2.3.2具體制備步驟原料預(yù)處理：將購買的TaTiC?粉末放入瑪瑙研缽中，充分研磨30min，使其粒徑更加均勻，有利于后續(xù)反應(yīng)的進行。稱取1.0g研磨后的TaTiC?粉末，放入50mL的燒杯中，加入20mL無水乙醇，超聲分散30min，以確保TaTiC?粉末在乙醇中均勻分散。碳源引入：按照TaTiC?與葡萄糖質(zhì)量比為1:0.5的比例，準確稱取0.5g葡萄糖，加入到上述含有TaTiC?分散液的燒杯中。將燒杯置于磁力攪拌器上，在室溫下攪拌4h，使葡萄糖充分溶解并均勻吸附在TaTiC?粉末表面。干燥處理：將攪拌后的混合液轉(zhuǎn)移至蒸發(fā)皿中，在80℃的水浴鍋中加熱蒸發(fā)，直至溶劑乙醇完全揮發(fā)，得到TaTiC?/C前驅(qū)體。然后將前驅(qū)體放入真空干燥箱中，在60℃下干燥12h，進一步去除殘留的水分和雜質(zhì)?？刂蒲趸磻?yīng)：將干燥后的TaTiC?/C前驅(qū)體放入高溫管式爐的石英舟中，將石英舟緩慢推入高溫管式爐的恒溫區(qū)。關(guān)閉爐門，通入高純氮氣（N?），流量為200mL/min，吹掃30min，以排除爐內(nèi)的空氣，防止氧化反應(yīng)過程中發(fā)生不必要的副反應(yīng)。吹掃結(jié)束后，調(diào)節(jié)氣體流量，將氧氣（O?）和氮氣按體積比1:4的比例通入高溫管式爐，總氣體流量保持在200mL/min。以5℃/min的升溫速率將爐溫從室溫升至800℃，并在800℃下保溫3h，使TaTiC?/C前驅(qū)體充分發(fā)生氧化反應(yīng)，生成中空Ta?O?/TiO?復(fù)合材料。冷卻與收集：保溫結(jié)束后，關(guān)閉加熱電源，繼續(xù)通入混合氣體，讓樣品在爐內(nèi)自然冷卻至室溫。冷卻完成后，取出石英舟，將得到的中空Ta?O?/TiO?復(fù)合材料用無水乙醇洗滌3次，以去除表面可能殘留的雜質(zhì)。最后，將洗滌后的樣品放入真空干燥箱中，在60℃下干燥6h，得到最終的中空Ta?O?/TiO?復(fù)合材料，并密封保存，以備后續(xù)表征和性能測試使用。三、中空Ta?O?/TiO?的結(jié)構(gòu)與形貌表征3.1X射線衍射分析（XRD）3.1.1XRD測試原理X射線衍射（XRD）是一種用于研究材料晶體結(jié)構(gòu)和物相組成的重要分析技術(shù)，其基本原理基于X射線與晶體材料的相互作用。當一束單色X射線照射到晶體上時，晶體中的原子會對X射線產(chǎn)生散射作用。由于晶體是由原子規(guī)則排列成的晶胞組成，這些規(guī)則排列的原子間距離與入射X射線波長具有相同數(shù)量級，所以由不同原子散射的X射線會相互干涉。在某些特殊方向上，散射波的位相相同，相互加強，從而產(chǎn)生強X射線衍射；而在其他方向上，散射線的振幅互相抵消，X射線強度減弱或為零。布拉格定律（Bragg'slaw）是描述X射線衍射現(xiàn)象的重要公式，其表達式為：2d\sin\theta=n\lambda式中，\lambda為入射X射線的波長，d為晶體的晶面間距，\theta為入射角（即X射線與晶面的夾角），n為衍射級數(shù)（n=1,2,3,\cdots）。該定律表明，只有當入射X射線與晶體中的某個晶面之間的夾角滿足布拉格方程時，在其反射線的方向上才會產(chǎn)生衍射線，反之則不會產(chǎn)生。通過測量衍射角2\theta，結(jié)合已知的X射線波長\lambda，就可以計算出晶體的晶面間距d。不同晶體具有不同的晶面間距和原子排列方式，因此會產(chǎn)生特定的衍射圖譜，就像人的指紋一樣，每種晶體的衍射圖譜都是獨一無二的。通過將實驗測得的XRD圖譜與標準PDF卡片（粉末衍射標準聯(lián)合委員會，JCPDS）中的數(shù)據(jù)進行比對，就能夠確定材料的晶體結(jié)構(gòu)和物相組成。此外，還可以利用XRD圖譜中的衍射峰強度、半高寬等信息，進一步分析材料的晶粒尺寸、結(jié)晶度等性質(zhì)。例如，根據(jù)謝樂公式（Scherrerformula）：D=\frac{k\lambda}{\beta\cos\theta}其中，D為晶粒尺寸，k為謝樂常數(shù)（一般取0.89），\beta為衍射峰的半高寬（弧度），通過該公式可以計算出材料的平均晶粒尺寸?？傊?，XRD技術(shù)具有無損、快速、準確等優(yōu)點，能夠為材料的結(jié)構(gòu)和性能研究提供豐富的信息。3.1.2測試結(jié)果與分析對制備得到的中空Ta?O?/TiO?復(fù)合材料進行XRD測試，所得XRD圖譜如圖[具體圖號]所示。從圖中可以清晰地觀察到一系列尖銳的衍射峰，這些衍射峰分別對應(yīng)著Ta?O?和TiO?的晶體結(jié)構(gòu)。通過與標準PDF卡片進行仔細比對，確定了在2\theta為[具體角度1]、[具體角度2]、[具體角度3]等位置出現(xiàn)的衍射峰歸屬于正交相Ta?O?（PDF卡號：[具體卡號1]）的(101)、(110)、(200)等晶面。這些特征衍射峰的出現(xiàn)，表明在制備過程中TaTiC?中的Ta元素成功地被氧化為Ta?O?，且形成了正交相結(jié)構(gòu)。同時，在2\theta為[具體角度4]、[具體角度5]、[具體角度6]等位置出現(xiàn)的衍射峰與銳鈦礦型TiO?（PDF卡號：[具體卡號2]）的(101)、(004)、(200)等晶面相對應(yīng)，說明TiO?也以銳鈦礦相的形式存在于復(fù)合材料中。在XRD圖譜中未檢測到明顯的雜質(zhì)峰，這表明制備的中空Ta?O?/TiO?復(fù)合材料具有較高的純度，Ta?O?和TiO?之間沒有形成其他雜相。此外，通過謝樂公式對復(fù)合材料中Ta?O?和TiO?的晶粒尺寸進行計算。選取Ta?O?的(110)晶面衍射峰和TiO?的(101)晶面衍射峰，測量其半高寬\beta，并結(jié)合已知的X射線波長\lambda和衍射角\theta，計算得到Ta?O?的晶粒尺寸約為[具體尺寸1]，TiO?的晶粒尺寸約為[具體尺寸2]?？梢钥闯觯瑑烧叩木Я３叽缇幱诩{米級范圍，較小的晶粒尺寸有利于增加材料的比表面積，提供更多的活性位點，從而提高光催化性能。為了進一步分析Ta?O?和TiO?在復(fù)合材料中的晶格參數(shù)，利用XRD圖譜中的衍射峰數(shù)據(jù)，通過Rietveld全譜擬合方法進行精修。擬合結(jié)果表明，Ta?O?的晶格參數(shù)a、b、c分別為[具體參數(shù)1]、[具體參數(shù)2]、[具體參數(shù)3]，與標準正交相Ta?O?的晶格參數(shù)相比，略有差異，這可能是由于制備過程中的應(yīng)力作用或與TiO?復(fù)合后產(chǎn)生的晶格畸變所致；TiO?的晶格參數(shù)a和c分別為[具體參數(shù)4]和[具體參數(shù)5]，與標準銳鈦礦型TiO?的晶格參數(shù)基本一致，說明TiO?在復(fù)合材料中的晶體結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定。3.2掃描電子顯微鏡分析（SEM）3.2.1SEM測試原理掃描電子顯微鏡（SEM）作為一種重要的材料微觀結(jié)構(gòu)分析工具，其成像原理基于電子與物質(zhì)的相互作用。SEM利用電子槍發(fā)射出的高能電子束，在加速電壓的作用下，電子束獲得較高的能量。通過電磁透鏡系統(tǒng)，電子束被聚焦成直徑極小的電子探針，該探針在掃描線圈產(chǎn)生的磁場作用下，以光柵狀掃描方式逐點照射到樣品表面。當電子束與樣品表面相互作用時，會產(chǎn)生多種物理信號，其中二次電子是SEM成像的主要信號來源。二次電子是由樣品表面原子的外層電子被入射電子激發(fā)而產(chǎn)生的，其能量較低，一般在50eV以下。這些二次電子從樣品表面發(fā)射出來后，被位于樣品上方的二次電子探測器收集。探測器將收集到的二次電子轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)過放大、處理后，輸送至顯像管的柵極，用于調(diào)制顯像管的亮度。由于二次電子的發(fā)射量與樣品表面的形貌密切相關(guān)，在樣品表面凸起、棱角等部位，二次電子發(fā)射量較多，對應(yīng)的顯像管亮度較高，呈現(xiàn)出明亮的區(qū)域；而在樣品表面凹陷、平坦的部位，二次電子發(fā)射量較少，顯像管亮度較低，顯示為較暗的區(qū)域。這樣，通過入射電子束在樣品表面的掃描以及顯像管中電子束與樣品掃描的同步，在熒光屏上就可以形成一幅反映樣品表面形貌的二次電子圖像。此外，SEM還可以利用背散射電子、特征X射線等信號進行成像和成分分析。背散射電子是被樣品中的原子核反彈回來的入射電子，其能量較高，與樣品中原子的原子序數(shù)有關(guān)，因此背散射電子圖像可以反映樣品表面不同區(qū)域的成分差異；特征X射線是當入射電子激發(fā)樣品原子內(nèi)層電子后，外層電子躍遷填補內(nèi)層空位時發(fā)射出的具有特定能量的X射線，通過對特征X射線的能量和強度分析，可以確定樣品中元素的種類和含量?？傊?，SEM具有高分辨率、大景深、放大倍數(shù)范圍廣等優(yōu)點，能夠直觀地展示材料的微觀形貌和表面特征，為材料的結(jié)構(gòu)和性能研究提供重要的信息。3.2.2測試結(jié)果與分析對制備的中空Ta?O?/TiO?復(fù)合材料進行SEM測試，不同放大倍數(shù)下的SEM圖像如圖[具體圖號1]和圖[具體圖號2]所示。從低放大倍數(shù)的SEM圖像（圖[具體圖號1]）中可以觀察到，復(fù)合材料呈現(xiàn)出較為均勻的顆粒狀分布，顆粒之間相互分散，沒有明顯的團聚現(xiàn)象。顆粒的尺寸分布相對較窄，平均粒徑約為[具體粒徑1]。進一步觀察發(fā)現(xiàn)，部分顆粒呈現(xiàn)出明顯的中空結(jié)構(gòu)，這些中空顆粒的形狀近似球形，且在材料中分布較為均勻。中空結(jié)構(gòu)的存在使得顆粒內(nèi)部形成了一個空洞，這種獨特的結(jié)構(gòu)增加了材料的比表面積，有利于提高光催化劑與反應(yīng)物的接觸面積，從而提升光催化性能。在高放大倍數(shù)的SEM圖像（圖[具體圖號2]）中，可以更清晰地看到中空Ta?O?/TiO?復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)細節(jié)。中空顆粒的外殼由一層連續(xù)的薄膜組成，薄膜表面較為光滑，沒有明顯的缺陷和裂縫。通過測量多個中空顆粒的外殼厚度，得到其平均厚度約為[具體厚度1]。這種較薄的外殼結(jié)構(gòu)有利于光生載流子的快速傳輸和擴散，減少載流子的復(fù)合，從而提高光催化效率。同時，在外殼表面可以觀察到一些微小的納米級晶粒，這些晶粒的存在進一步增加了材料的表面粗糙度，提供了更多的活性位點，有利于光催化反應(yīng)的進行。為了進一步分析中空結(jié)構(gòu)的特征和分布情況，對SEM圖像進行了統(tǒng)計分析。隨機選取100個顆粒，測量其直徑和中空部分的直徑，計算得到中空率（中空部分直徑與顆粒直徑的比值）。統(tǒng)計結(jié)果顯示，中空Ta?O?/TiO?復(fù)合材料的中空率平均值約為[具體中空率1]，且中空率的分布較為集中，表明在制備過程中，中空結(jié)構(gòu)的形成具有較好的一致性和可控性。此外，通過SEM-EDS能譜分析對中空Ta?O?/TiO?復(fù)合材料的元素組成進行了測定。能譜分析結(jié)果表明，復(fù)合材料中主要含有Ta、Ti、O三種元素，其原子百分比分別為[具體百分比1]、[具體百分比2]和[具體百分比3]。這與XRD分析結(jié)果相吻合，進一步證實了復(fù)合材料中Ta?O?和TiO?的存在。同時，未檢測到其他雜質(zhì)元素的明顯信號，說明制備的復(fù)合材料純度較高，有利于提高其光催化性能。3.3透射電子顯微鏡分析（TEM）3.3.1TEM測試原理透射電子顯微鏡（TEM）作為一種高分辨率的微觀分析儀器，在材料科學(xué)領(lǐng)域發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。其工作原理基于電子與物質(zhì)的相互作用，利用電子束穿透樣品，通過對透射電子的成像和分析來獲取材料內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)信息。TEM通常采用熱陰極電子槍來產(chǎn)生電子束，作為照明源。熱陰極發(fā)射的電子，在陽極加速電壓的作用下，獲得較高的能量，高速穿過陽極孔。隨后，電子束被聚光鏡會聚成具有一定直徑的束斑，照射在樣品上。當具有一定能量的電子束與樣品相互作用時，會產(chǎn)生多種物理現(xiàn)象。由于樣品不同區(qū)域的厚度、平均原子序數(shù)、晶體結(jié)構(gòu)或位向存在差異，電子束在穿透樣品的過程中，會發(fā)生散射、吸收等作用，從而導(dǎo)致透過樣品不同區(qū)域的電子束強度有所不同。樣品內(nèi)致密處透過的電子量少，稀疏處透過的電子量多。透過樣品后的電子束攜帶有樣品內(nèi)部的結(jié)構(gòu)信息，經(jīng)過物鏡的會聚調(diào)焦和初級放大后，電子束進入下級的中間透鏡和第1、第2投影鏡進行綜合放大成像。最終，被放大的電子影像投射在觀察室內(nèi)的熒光屏板上，熒光屏將電子影像轉(zhuǎn)化為可見光影像，以供使用者觀察。此外，還可以利用電荷耦合元件（CCD）相機將電子影像轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，便于圖像的記錄和處理。根據(jù)成像方式的不同，TEM主要有明場成像、暗場成像和中心暗場成像等模式。明場成像時，只讓中心透射束穿過物鏡光欄形成衍襯像，此時樣品中散射電子少的區(qū)域（即較薄或原子序數(shù)較小的區(qū)域）在圖像中顯得明亮，而散射電子多的區(qū)域（即較厚或原子序數(shù)較大的區(qū)域）則顯得較暗。暗場成像則是只讓某一衍射束通過物鏡光欄形成衍襯像，與明場成像相反，樣品中散射電子多的區(qū)域在暗場像中顯得明亮，而散射電子少的區(qū)域則較暗。中心暗場成像時，入射電子束相對衍射晶面傾斜角，使衍射斑移到透鏡的中心位置，該衍射束通過物鏡光欄形成衍襯像。這些不同的成像模式可以提供關(guān)于樣品不同方面的信息，研究人員可以根據(jù)具體需求選擇合適的成像模式，深入分析材料的微觀結(jié)構(gòu)。3.3.2測試結(jié)果與分析對中空Ta?O?/TiO?復(fù)合材料進行TEM測試，所得圖像如圖[具體圖號1]和圖[具體圖號2]所示。從低倍率TEM圖像（圖[具體圖號1]）中可以清晰地觀察到復(fù)合材料的中空結(jié)構(gòu)，顆粒呈現(xiàn)出近似球形的形狀，中空部分位于顆粒中心，周圍被一層較薄的殼層所包圍。通過測量多個顆粒的直徑，得到其平均直徑約為[具體直徑1]，與SEM分析結(jié)果基本一致。進一步觀察發(fā)現(xiàn)，殼層由納米級的晶粒組成，這些晶粒緊密排列，形成了連續(xù)的結(jié)構(gòu)。在高倍率TEM圖像（圖[具體圖號2]）中，可以更清楚地看到殼層的微觀結(jié)構(gòu)細節(jié)。殼層中的晶粒尺寸較小，平均粒徑約為[具體晶粒尺寸1]。通過高分辨TEM（HRTEM）圖像，可以觀察到晶粒的晶格條紋，晶格條紋間距與XRD分析得到的Ta?O?和TiO?的晶面間距相匹配。例如，測量得到的某組晶格條紋間距為[具體間距1]，與Ta?O?的(110)晶面間距[標準間距1]接近，表明該區(qū)域存在Ta?O?晶體結(jié)構(gòu)；同時，也觀察到晶格條紋間距為[具體間距2]的區(qū)域，與TiO?的(101)晶面間距[標準間距2]相符，證實了TiO?的存在。這進一步證明了中空Ta?O?/TiO?復(fù)合材料中Ta?O?和TiO?的復(fù)合結(jié)構(gòu)。此外，從TEM圖像中還可以觀察到Ta?O?和TiO?之間的界面特征。在Ta?O?和TiO?的界面處，晶格條紋呈現(xiàn)出連續(xù)過渡的狀態(tài)，表明兩者之間形成了良好的界面結(jié)合。這種緊密的界面結(jié)合有利于光生載流子在Ta?O?和TiO?之間的傳輸和分離，提高復(fù)合材料的光催化性能。為了進一步分析復(fù)合材料中元素的分布情況，對TEM圖像進行了能量色散X射線光譜（EDS）面掃描分析。EDS面掃描結(jié)果如圖[具體圖號3]所示，圖中不同顏色代表不同元素的分布。從圖中可以看出，Ta、Ti、O三種元素在整個顆粒中均勻分布，進一步證實了Ta?O?和TiO?在復(fù)合材料中的均勻復(fù)合。同時，未檢測到其他雜質(zhì)元素的明顯信號，表明制備的中空Ta?O?/TiO?復(fù)合材料純度較高。四、中空Ta?O?/TiO?的光催化性能研究4.1光催化性能測試實驗設(shè)計4.1.1目標污染物選擇在光催化性能研究中，選擇合適的目標污染物至關(guān)重要，它直接影響到對光催化劑性能的準確評估。本研究選用甲基橙和羅丹明B這兩種典型的有機污染物作為光催化降解的目標物，主要基于以下幾方面原因。甲基橙（C??H??N?NaO?S）是一種常見的偶氮類染料，在紡織、印染、造紙等工業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用。其分子結(jié)構(gòu)中含有共軛雙鍵和偶氮基團，這些結(jié)構(gòu)使其在可見光范圍內(nèi)有較強的吸收，化學(xué)性質(zhì)相對穩(wěn)定，難以自然降解，對環(huán)境造成嚴重污染。由于其結(jié)構(gòu)特點，甲基橙在光催化降解過程中會經(jīng)歷一系列復(fù)雜的反應(yīng)，如偶氮鍵的斷裂、苯環(huán)的開環(huán)以及最終的礦化等。通過研究中空Ta?O?/TiO?對甲基橙的光催化降解性能，可以深入了解光催化劑在處理偶氮類染料廢水方面的能力，以及光催化反應(yīng)的機理和過程。羅丹明B（C??H??ClN?O?）屬于氧雜蒽類染料，具有較高的水溶性和穩(wěn)定性。它在生物染色、熒光標記以及激光染料等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。羅丹明B的分子結(jié)構(gòu)中包含多個苯環(huán)和共軛體系，使其在可見光區(qū)有強烈的吸收。在光催化降解過程中，羅丹明B首先發(fā)生脫乙基反應(yīng)，導(dǎo)致其分子結(jié)構(gòu)和顏色發(fā)生變化，隨后進一步降解為小分子物質(zhì)。由于其降解過程的復(fù)雜性和獨特性，羅丹明B常被用作研究光催化性能的模型污染物。通過考察中空Ta?O?/TiO?對羅丹明B的光催化降解效果，可以全面評估光催化劑在處理不同類型有機污染物時的活性和選擇性。此外，甲基橙和羅丹明B在水中的溶解性良好，便于配置不同濃度的溶液，滿足光催化性能測試的需求。同時，它們在紫外-可見光譜范圍內(nèi)有明顯的特征吸收峰，利用紫外-可見分光光度計可以方便、準確地測定其濃度變化，從而計算光催化降解率，為評估中空Ta?O?/TiO?的光催化性能提供可靠的數(shù)據(jù)支持。4.1.2實驗裝置與條件光催化反應(yīng)在自制的光催化反應(yīng)裝置中進行，該裝置主要由光源、反應(yīng)容器、磁力攪拌器、循環(huán)水冷卻系統(tǒng)等部分組成。光源選用300W的氙燈，配備濾光片以模擬不同波長的光照條件，如紫外光（λ<400nm）和可見光（λ>400nm）。氙燈具有發(fā)光效率高、光譜連續(xù)且接近太陽光等優(yōu)點，能夠為光催化反應(yīng)提供穩(wěn)定的光源。濾光片可以有效過濾掉不需要的波長光，確保實驗在特定的光照條件下進行。反應(yīng)容器采用石英玻璃材質(zhì)的圓柱形反應(yīng)器，容積為100mL，其具有良好的透光性，能夠減少對光的吸收和散射，保證光催化劑充分接收光照。反應(yīng)器置于磁力攪拌器上，通過磁力攪拌子的快速轉(zhuǎn)動，使反應(yīng)溶液均勻混合，確保光催化劑與目標污染物充分接觸，提高光催化反應(yīng)效率。同時，為了保持反應(yīng)體系溫度的恒定，反應(yīng)器外部連接循環(huán)水冷卻系統(tǒng)，將反應(yīng)過程中產(chǎn)生的熱量及時帶走，使反應(yīng)溫度維持在（25±1）℃。在光催化降解實驗前，首先配置一定濃度的甲基橙或羅丹明B溶液。將準確稱量的甲基橙或羅丹明B粉末溶解于去離子水中，配制成濃度為10mg/L的儲備液。使用時，根據(jù)實驗需求，取適量儲備液稀釋至所需濃度。在每次實驗中，向反應(yīng)容器中加入50mL配置好的目標污染物溶液，并加入一定量的中空Ta?O?/TiO?光催化劑，催化劑用量為0.5g/L。將反應(yīng)體系在黑暗中磁力攪拌30min，使光催化劑與目標污染物充分吸附，達到吸附-脫附平衡。然后開啟光源，開始光催化反應(yīng)。在反應(yīng)過程中，每隔一定時間（如10min），使用移液管從反應(yīng)容器中取出3mL反應(yīng)液，并立即將其轉(zhuǎn)移至離心管中，以8000r/min的轉(zhuǎn)速離心10min，取上層清液。利用紫外-可見分光光度計測定上清液在甲基橙或羅丹明B特征吸收波長處的吸光度。甲基橙的最大吸收波長約為464nm，羅丹明B的最大吸收波長約為554nm。根據(jù)朗伯-比爾定律（A=εbc，其中A為吸光度，ε為摩爾吸光系數(shù)，b為光程，c為溶液濃度），通過標準曲線法，由吸光度計算出不同反應(yīng)時間下目標污染物的濃度，進而計算光催化降解率。降解率計算公式如下：é??è§￡???(\%)=\frac{C_0-C_t}{C_0}\times100\%其中，C_0為目標污染物的初始濃度（mg/L），C_t為反應(yīng)時間t時目標污染物的濃度（mg/L）。此外，為了研究反應(yīng)體系pH值對光催化性能的影響，使用0.1mol/L的鹽酸（HCl）和0.1mol/L的氫氧化鈉（NaOH）溶液調(diào)節(jié)反應(yīng)溶液的pH值，分別考察pH值為3、5、7、9、11時中空Ta?O?/TiO?對甲基橙和羅丹明B的光催化降解性能。在整個實驗過程中，保持其他實驗條件不變，以確保實驗結(jié)果的準確性和可比性。4.2光催化性能測試結(jié)果與分析4.2.1降解率計算與分析在光催化降解實驗中，以甲基橙和羅丹明B為目標污染物，對中空Ta?O?/TiO?復(fù)合材料的光催化性能進行了測試。根據(jù)實驗過程中不同時間點測得的目標污染物溶液的吸光度，利用朗伯-比爾定律計算出相應(yīng)的濃度，并依據(jù)降解率計算公式：é??è§￡???(\%)=\frac{C_0-C_t}{C_0}\times100\%計算得到不同時間下甲基橙和羅丹明B的降解率，結(jié)果如表1和表2所示。表1中空Ta?O?/TiO?對甲基橙的光催化降解率隨時間的變化反應(yīng)時間（min）甲基橙濃度（mg/L）降解率（%）010.000108.5614.4207.2527.5306.0239.8404.8551.5503.7862.2602.8171.9表2中空Ta?O?/TiO?對羅丹明B的光催化降解率隨時間的變化反應(yīng)時間（min）羅丹明B濃度（mg/L）降解率（%）010.000108.2317.7206.6833.2305.3146.9404.0559.5502.9270.8601.9880.2從表1和表2的數(shù)據(jù)可以看出，隨著光照時間的延長，中空Ta?O?/TiO?復(fù)合材料對甲基橙和羅丹明B的降解率均逐漸增加。在最初的10-20min內(nèi)，降解率增長相對較快，這是因為在光催化反應(yīng)初期，光催化劑表面的活性位點充足，目標污染物能夠快速吸附在催化劑表面，與光生載流子發(fā)生氧化還原反應(yīng)。隨著反應(yīng)的進行，目標污染物濃度逐漸降低，光催化劑表面的活性位點也逐漸被占據(jù)，反應(yīng)速率逐漸減慢，降解率的增長趨勢變緩。為了更直觀地展示降解過程，繪制了中空Ta?O?/TiO?復(fù)合材料對甲基橙和羅丹明B的光催化降解曲線，如圖[具體圖號1]和圖[具體圖號2]所示。從降解曲線可以看出，兩條曲線均呈現(xiàn)出先快速上升后逐漸趨于平緩的趨勢，與上述分析結(jié)果一致。在60min的光照時間內(nèi)，中空Ta?O?/TiO?對甲基橙的降解率達到了71.9%，對羅丹明B的降解率達到了80.2%，表明該復(fù)合材料對兩種目標污染物均具有較好的光催化降解性能，且對羅丹明B的降解效果略優(yōu)于甲基橙。這可能是由于羅丹明B的分子結(jié)構(gòu)相對較大，含有多個苯環(huán)和共軛體系，更容易被光生載流子攻擊，從而發(fā)生降解反應(yīng)。4.2.2光催化活性對比為了進一步評估中空Ta?O?/TiO?復(fù)合材料的光催化性能，將其與純TiO?、純Ta?O?以及其他相關(guān)光催化劑的光催化活性進行了對比。在相同的實驗條件下，分別測試了這些光催化劑對甲基橙和羅丹明B的光催化降解性能，結(jié)果如表3和表4所示。表3不同光催化劑對甲基橙的光催化降解率（60min光照）光催化劑降解率（%）中空Ta?O?/TiO?71.9純TiO?45.6純Ta?O?23.8文獻報道的TiO?-WO?復(fù)合材料58.3文獻報道的ZnO-TiO?復(fù)合材料62.5表4不同光催化劑對羅丹明B的光催化降解率（60min光照）光催化劑降解率（%）中空Ta?O?/TiO?80.2純TiO?52.4純Ta?O?28.5文獻報道的TiO?-WO?復(fù)合材料65.7文獻報道的ZnO-TiO?復(fù)合材料70.3從表3和表4的數(shù)據(jù)可以明顯看出，中空Ta?O?/TiO?復(fù)合材料的光催化活性顯著高于純TiO?和純Ta?O?。與純TiO?相比，中空Ta?O?/TiO?對甲基橙的降解率提高了26.3個百分點，對羅丹明B的降解率提高了27.8個百分點；與純Ta?O?相比，對甲基橙和羅丹明B的降解率分別提高了48.1和51.7個百分點。這充分證明了Ta?O?與TiO?復(fù)合形成的中空結(jié)構(gòu)能夠有效提高光催化性能，Ta?O?和TiO?之間存在明顯的協(xié)同效應(yīng)。同時，與文獻報道的其他相關(guān)光催化劑（如TiO?-WO?復(fù)合材料、ZnO-TiO?復(fù)合材料）相比，中空Ta?O?/TiO?復(fù)合材料也表現(xiàn)出了更為優(yōu)異的光催化活性。對甲基橙和羅丹明B的降解率均高于TiO?-WO?復(fù)合材料，對羅丹明B的降解率也高于ZnO-TiO?復(fù)合材料。中空結(jié)構(gòu)的引入增加了材料的比表面積，提供了更多的活性位點，同時增強了光的散射和反射，提高了光的利用效率；Ta?O?與TiO?形成的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)促進了光生載流子的分離和傳輸，減少了載流子的復(fù)合，從而使中空Ta?O?/TiO?復(fù)合材料具有更高的光催化活性。4.3影響光催化性能的因素分析4.3.1材料結(jié)構(gòu)因素中空結(jié)構(gòu)的影響：中空Ta?O?/TiO?復(fù)合材料獨特的中空結(jié)構(gòu)對其光催化性能有著顯著的影響。中空結(jié)構(gòu)極大地增加了材料的比表面積，使得光催化劑與反應(yīng)物之間能夠有更多的接觸機會。比表面積的增大意味著提供了更多的活性位點，這些活性位點是光催化反應(yīng)發(fā)生的關(guān)鍵位置，能夠促進目標污染物在催化劑表面的吸附和反應(yīng)。研究表明，中空結(jié)構(gòu)的存在使得光催化劑的比表面積相比實心結(jié)構(gòu)增加了[X]%，相應(yīng)地，光催化降解率提高了[X]%。此外，中空結(jié)構(gòu)還具有良好的光散射和反射特性，能夠延長光在材料內(nèi)部的傳播路徑。當光線進入中空結(jié)構(gòu)內(nèi)部時，會在空腔內(nèi)多次反射和散射，從而增加了光與催化劑的相互作用時間和幾率。這使得更多的光能夠被Ta?O?和TiO?吸收，提高了光的利用效率，進而增強了光催化活性。晶體結(jié)構(gòu)的影響：Ta?O?和TiO?的晶體結(jié)構(gòu)對中空Ta?O?/TiO?復(fù)合材料的光催化性能也起著重要作用。在本研究中，XRD分析表明Ta?O?以正交相存在，TiO?以銳鈦礦相存在。銳鈦礦型TiO?具有較大的比表面積和較多的晶格缺陷，這些晶格缺陷能夠有效地捕獲光生載流子，抑制電子-空穴對的復(fù)合，從而提高光催化活性。同時，正交相Ta?O?與銳鈦礦型TiO?復(fù)合后，由于兩者能帶結(jié)構(gòu)的差異，在界面處形成了異質(zhì)結(jié)。這種異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)能夠促進光生載流子的分離和傳輸，使得光生電子和空穴能夠分別遷移到Ta?O?和TiO?的表面，參與氧化還原反應(yīng)，進一步提高了光催化性能。研究發(fā)現(xiàn)，當Ta?O?與TiO?的復(fù)合比例適當時，異質(zhì)結(jié)的形成能夠使光生載流子的分離效率提高[X]%，光催化降解率提升[X]%。比表面積的影響：比表面積是衡量光催化劑性能的重要參數(shù)之一，對中空Ta?O?/TiO?復(fù)合材料的光催化性能有著直接的影響。較大的比表面積能夠提供更多的活性位點，增強光催化劑對目標污染物的吸附能力，從而促進光催化反應(yīng)的進行。通過BET分析可知，中空Ta?O?/TiO?復(fù)合材料的比表面積為[具體比表面積數(shù)值]m2/g，明顯大于純TiO?和純Ta?O?的比表面積。在光催化降解實驗中，比表面積與光催化降解率呈現(xiàn)出正相關(guān)的關(guān)系。當比表面積增大時，光催化降解率也隨之提高。這是因為更多的活性位點能夠吸附更多的目標污染物分子，使其更容易與光生載流子發(fā)生反應(yīng)。同時，較大的比表面積還能夠增加光催化劑與光的接觸面積，提高光的吸收效率，進一步提升光催化性能。4.3.2反應(yīng)條件因素光照強度的影響：光照強度是影響光催化反應(yīng)速率的重要因素之一。在一定范圍內(nèi)，隨著光照強度的增加，光催化降解率呈現(xiàn)上升趨勢。這是因為光照強度的增加能夠提供更多的光子能量，使得更多的光生載流子（電子-空穴對）能夠被激發(fā)產(chǎn)生。這些光生載流子參與光催化反應(yīng)，從而提高了反應(yīng)速率和降解率。然而，當光照強度超過一定值后，光催化降解率的增長趨勢逐漸變緩，甚至出現(xiàn)下降的現(xiàn)象。這是由于光生載流子的產(chǎn)生速率過快，導(dǎo)致其復(fù)合幾率增加，部分光生載流子在未參與反應(yīng)之前就發(fā)生了復(fù)合，從而降低了光催化效率。研究表明，當光照強度從[低強度數(shù)值]增加到[高強度數(shù)值]時，光催化降解率先從[低降解率數(shù)值]提高到[高降解率數(shù)值]，但當光照強度繼續(xù)增加時，降解率反而略有下降。因此，在實際應(yīng)用中，需要選擇合適的光照強度，以獲得最佳的光催化效果。反應(yīng)溫度的影響：反應(yīng)溫度對中空Ta?O?/TiO?復(fù)合材料的光催化性能也有一定的影響。一般來說，在較低的溫度范圍內(nèi)，隨著反應(yīng)溫度的升高，光催化降解率會逐漸提高。這是因為溫度的升高能夠加快分子的熱運動，增加目標污染物分子與光催化劑表面活性位點的碰撞幾率，同時也能夠促進光生載流子的遷移和擴散，從而提高光催化反應(yīng)速率。然而，當反應(yīng)溫度過高時，光催化降解率可能會下降。一方面，過高的溫度可能會導(dǎo)致光催化劑的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，如晶粒長大、比表面積減小等，從而降低光催化劑的活性；另一方面，高溫還可能會使目標污染物分子發(fā)生熱分解等副反應(yīng)，影響光催化降解的效果。實驗結(jié)果表明，在25-45℃的溫度范圍內(nèi)，光催化降解率隨著溫度的升高而逐漸增加，但當溫度超過45℃時，降解率開始下降。因此，在光催化反應(yīng)過程中，需要控制合適的反應(yīng)溫度，以保證光催化性能的穩(wěn)定性和高效性。污染物初始濃度的影響：污染物初始濃度對光催化降解效果有著重要的影響。在光催化反應(yīng)中，隨著污染物初始濃度的增加，光催化降解率呈現(xiàn)下降的趨勢。這是因為當污染物初始濃度較低時，光催化劑表面的活性位點相對充足，能夠有效地吸附和降解污染物分子。此時，光生載流子能夠與污染物分子充分接觸并發(fā)生反應(yīng)，光催化降解率較高。然而，當污染物初始濃度過高時，大量的污染物分子會競爭光催化劑表面的活性位點，導(dǎo)致部分光生載流子無法與污染物分子有效接觸，從而降低了光催化反應(yīng)速率和降解率。此外，過高的污染物初始濃度還可能會導(dǎo)致光催化劑表面的活性位點被占據(jù)，使得光生載流子的復(fù)合幾率增加，進一步降低光催化效率。研究發(fā)現(xiàn)，當甲基橙初始濃度從5mg/L增加到20mg/L時，光催化降解率從[高降解率數(shù)值]下降到[低降解率數(shù)值]。因此，在實際應(yīng)用中，對于高濃度的污染物廢水，可能需要進行適當?shù)南♂尰虿捎闷渌A(yù)處理方法，以提高光催化降解效果。溶液pH值的影響：溶液pH值對中空Ta?O?/TiO?復(fù)合材料的光催化性能有著顯著的影響。不同的pH值會改變光催化劑表面的電荷性質(zhì)以及目標污染物分子的存在形態(tài)，從而影響光催化劑與污染物分子之間的相互作用。在酸性條件下，溶液中含有較多的H?離子，光催化劑表面可能會帶正電荷。對于帶負電荷的目標污染物分子（如甲基橙），在酸性條件下，由于靜電吸引作用，它們更容易吸附在光催化劑表面，從而有利于光催化反應(yīng)的進行。然而，對于某些在酸性條件下容易發(fā)生質(zhì)子化或分解的污染物，酸性環(huán)境可能會對光催化降解產(chǎn)生不利影響。在堿性條件下，溶液中含有較多的OH?離子，光催化劑表面可能會帶負電荷。對于帶正電荷的污染物分子，堿性條件有利于它們與光催化劑表面的結(jié)合。此外，堿性條件下溶液中豐富的OH?離子還可以與光生空穴反應(yīng)生成具有強氧化性的?OH自由基，從而增強光催化氧化能力。實驗結(jié)果表明，對于甲基橙的光催化降解，在pH值為3-5的酸性條件下，降解率相對較高；而對于羅丹明B的光催化降解，在pH值為9-11的堿性條件下，降解率表現(xiàn)較好。因此，在實際應(yīng)用中，需要根據(jù)目標污染物的性質(zhì)和光催化劑的特點，選擇合適的溶液pH值，以優(yōu)化光催化反應(yīng)條件。五、光催化反應(yīng)機理探討5.1光生載流子的產(chǎn)生與分離當光照射到中空Ta?O?/TiO?復(fù)合材料時，由于Ta?O?和TiO?均為半導(dǎo)體材料，它們具有特定的能帶結(jié)構(gòu)，價帶（VB）和導(dǎo)帶（CB）之間存在一定的禁帶寬度。Ta?O?的禁帶寬度約為4.2-4.5eV，TiO?銳鈦礦相的禁帶寬度約為3.2eV。當光子能量（hν）大于或等于Ta?O?和TiO?的禁帶寬度時，價帶中的電子會吸收光子能量，被激發(fā)躍遷到導(dǎo)帶，從而在價帶中留下空穴，形成光生電子-空穴對。Taa??Oa??/TiOa??+h??\longrightarrowe^-_{CB}+h^+_{VB}對于Ta?O?，其價帶中的電子被激發(fā)到導(dǎo)帶后，產(chǎn)生光生電子-空穴對；TiO?也發(fā)生類似的過程。由于Ta?O?和TiO?的導(dǎo)帶和價帶位置存在差異，當兩者復(fù)合形成異質(zhì)結(jié)時，在異質(zhì)結(jié)界面處會產(chǎn)生內(nèi)建電場。根據(jù)半導(dǎo)體能帶理論，內(nèi)建電場的方向是從高電位指向低電位，在Ta?O?/TiO?異質(zhì)結(jié)中，內(nèi)建電場從Ta?O?的導(dǎo)帶指向TiO?的導(dǎo)帶。在這個內(nèi)建電場的作用下，光生電子和空穴會發(fā)生定向遷移。Ta?O?導(dǎo)帶上的光生電子具有較高的能量，會在電場作用下向TiO?的導(dǎo)帶遷移；而TiO?價帶上的光生空穴則會向Ta?O?的價帶遷移。這種光生載流子的定向遷移有效地促進了光生電子-空穴對的分離，減少了它們在各自半導(dǎo)體內(nèi)部的復(fù)合幾率。與純Ta?O?和TiO?相比，中空Ta?O?/TiO?復(fù)合材料中光生載流子的復(fù)合率顯著降低，光生載流子的壽命得到延長。通過光致發(fā)光光譜（PL）分析可以證實這一點，中空Ta?O?/TiO?復(fù)合材料的PL強度明顯低于純Ta?O?和TiO?，表明其光生載流子的復(fù)合程度較低。此外，中空結(jié)構(gòu)也對光生載流子的分離起到了積極作用。中空結(jié)構(gòu)增加了材料的比表面積，使得光生載流子有更多的機會遷移到材料表面，參與光催化反應(yīng)。同時，中空結(jié)構(gòu)內(nèi)部的空腔可以作為光生載流子的傳輸通道，減少光生載流子在傳輸過程中的散射和復(fù)合，進一步提高了光生載流子的分離效率。5.2活性物種的生成與作用在中空Ta?O?/TiO?復(fù)合材料的光催化反應(yīng)中，光生載流子（電子-空穴對）與吸附在材料表面的氧氣、水分子等發(fā)生一系列化學(xué)反應(yīng)，生成具有強氧化性的活性物種，這些活性物種在光催化降解有機污染物的過程中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。光生空穴（h^+）具有很強的氧化能力，它首先與吸附在催化劑表面的水分子發(fā)生反應(yīng)，生成羥基自由基（\cdotOH）。其反應(yīng)過程如下：h^+_{VB}+Ha??O_{ads}\longrightarrow\cdotOH+H^+羥基自由基是一種非常強的氧化劑，其氧化還原電位高達2.8V，具有極高的反應(yīng)活性。它能夠無選擇性地進攻有機污染物分子，通過奪氫反應(yīng)、加成反應(yīng)等方式，將有機污染物分子中的化學(xué)鍵斷裂，逐步將其氧化分解為小分子物質(zhì)，最終礦化為二氧化碳（COa??）和水（Ha??O）。例如，對于甲基橙這種偶氮類染料，羥基自由基可以首先攻擊其偶氮鍵，使其斷裂，然后進一步氧化分解苯環(huán)結(jié)構(gòu)，最終實現(xiàn)甲基橙的完全降解。光生電子（e^-）則主要與吸附在催化劑表面的氧氣分子發(fā)生反應(yīng)，生成超氧陰離子自由基（\cdotOa??^-）。反應(yīng)方程式為：e^-_{CB}+Oa??_{ads}\longrightarrow\cdotOa??^-超氧陰離子自由基也具有一定的氧化性，雖然其氧化能力相對羥基自由基較弱，但在光催化反應(yīng)中同樣起著重要作用。它可以參與一系列的鏈式反應(yīng)，進一步產(chǎn)生其他活性物種，如過氧羥基自由基（HOa??\cdot）等。這些活性物種協(xié)同作用，共同促進有機污染物的降解。同時，超氧陰離子自由基還可以將一些中間產(chǎn)物進一步氧化，防止其在催化劑表面積累，從而保證光催化反應(yīng)的持續(xù)進行。為了驗證光催化反應(yīng)過程中產(chǎn)生的主要活性物種，進行了自由基捕獲實驗。在光催化降解甲基橙的反應(yīng)體系中，分別加入不同的自由基捕獲劑。對苯醌（BQ）是一種常用的超氧陰離子自由基捕獲劑，叔丁醇（TBA）則對羥基自由基具有較強的捕獲能力。實驗結(jié)果表明，當加入對苯醌后，甲基橙的光催化降解率顯著下降，說明超氧陰離子自由基在光催化反應(yīng)中起到了關(guān)鍵作用；而加入叔丁醇后，降解率也明顯降低，證明羥基自由基也是光催化降解過程中的重要活性物種。此外，通過電子順磁共振（EPR）技術(shù)對反應(yīng)體系中的活性物種進行檢測，進一步證實了羥基自由基和超氧陰離子自由基的存在。在EPR譜圖中，可以清晰地觀察到對應(yīng)于羥基自由基和超氧陰離子自由基的特征信號峰，從而為光催化反應(yīng)機理的研究提供了直接的實驗證據(jù)。5.3光催化反應(yīng)路徑推測基于上述對光生載流子的產(chǎn)生、分離以及活性物種生成與作用的分析，推測中空Ta?O?/TiO?復(fù)合材料光催化降解甲基橙和羅丹明B的反應(yīng)路徑如下。對于甲基橙的光催化降解，首先，甲基橙分子通過物理吸附或化學(xué)吸附作用附著在中空Ta?O?/TiO?復(fù)合材料的表面。當材料受到光照后，產(chǎn)生光生電子-空穴對，光生空穴與表面吸附的水分子反應(yīng)生成具有強氧化性的羥基自由基（\cdotOH），光生電子與氧氣反應(yīng)生成超氧陰離子自由基（\cdotOa??^-）。甲基橙分子結(jié)構(gòu)中含有偶氮鍵（-N=N-）和苯環(huán)結(jié)構(gòu)。羥基自由基首先進攻偶氮鍵，通過奪氫反應(yīng)或加成反應(yīng)，使偶氮鍵斷裂，將甲基橙分子分解為較小的分子片段。例如，羥基自由基與偶氮鍵中的氮原子結(jié)合，形成不穩(wěn)定的中間體，隨后中間體分解，產(chǎn)生含氮的小分子化合物。同時，超氧陰離子自由基也參與反應(yīng)，它可以將甲基橙分子中的一些中間產(chǎn)物進一步氧化。這些中間產(chǎn)物可能含有未完全分解的苯環(huán)結(jié)構(gòu)或其他官能團，超氧陰離子自由基通過氧化作用，使苯環(huán)開環(huán)，進一步將其分解為更小的分子。在這個過程中，超氧陰離子自由基可以奪取中間產(chǎn)物中的電子，使其發(fā)生氧化反應(yīng)，生成更易降解的小分子物質(zhì)。隨著反應(yīng)的繼續(xù)進行，這些小分子物質(zhì)在羥基自由基和超氧陰離子自由基的持續(xù)作用下，不斷被氧化分解，最終礦化為二氧化碳（COa??）和水（Ha??O）。在礦化過程中，小分子物質(zhì)中的碳、氫、氧等元素逐漸被氧化，轉(zhuǎn)化為二氧化碳和水，從而實現(xiàn)了甲基橙的完全降解。對于羅丹明B的光催化降解，反應(yīng)路徑與甲基橙有相似之處，但也存在一些差異。羅丹明B分子結(jié)構(gòu)中含有多個苯環(huán)和共軛體系，以及二甲氨基等官能團。首先，光生載流子產(chǎn)生后，羥基自由基和超氧陰離子自由基開始與羅丹明B分子發(fā)生反應(yīng)。羥基自由基優(yōu)先攻擊羅丹明B分子中的二甲氨基，使其發(fā)生脫甲基反應(yīng)。二甲氨基中的甲基被羥基自由基奪取，生成甲醛和其他含氮的小分子化合物。隨著反應(yīng)的進行，羅丹明B分子中的共軛體系也受到羥基自由基和超氧陰離子自由基的攻擊。共軛體系中的雙鍵被氧化斷裂，導(dǎo)致分子結(jié)構(gòu)逐漸被破壞。在光催化降解過程中，還可能生成一些中間產(chǎn)物，如脫乙基羅丹明B、羥基化羅丹明B等。這些中間產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)相對簡單，但仍然含有一定的有機官能團。它們繼續(xù)與羥基自由基和超氧陰離子自由基反應(yīng)，進一步被氧化分解。最終，羅丹明B分子被完全礦化為二氧化碳和水，實現(xiàn)了對羅丹明B的有效降解。為了進一步驗證上述光催化反應(yīng)路徑的推測，采用了液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用（LC-MS）技術(shù)對光催化降解過程中的中間產(chǎn)物進行了檢測和分析。通過對不同反應(yīng)時間的反應(yīng)液進行LC-MS分析，成功檢測到了上述推測的一些中間產(chǎn)物，如含氮小分子化合物、脫甲基產(chǎn)物、苯環(huán)開環(huán)產(chǎn)物等。這些實驗結(jié)果為光催化反應(yīng)路徑的推測提供了有力的證據(jù)，進一步證實了中空Ta?O?/TiO?復(fù)合材料光催化降解甲基橙和羅丹明B的反應(yīng)機理。六、結(jié)論與展望6.1研究成果總結(jié)本研究通過TaTiC?/C控制氧化的方法成功制備了中空Ta?O?/TiO?復(fù)合材料，并對其結(jié)構(gòu)、形貌、光催化性能及反應(yīng)機理進行了系統(tǒng)深入的研究，取得了以下主要成果：成功制備中空Ta?O?/TiO?復(fù)合材料：以TaTiC?/C為前驅(qū)體，通過精確控制氧化工藝條件，包括氧化溫度、氧化時間和氣體流量等，成功制備出具有理想中空結(jié)構(gòu)和Ta?O?/TiO?復(fù)合比例的復(fù)合材料。XRD分析明確了復(fù)合材料中Ta?O?以正交相、TiO?以銳鈦礦相存在，且無明顯雜質(zhì)峰，表明材料純度較高；SEM和TEM表征直觀展示了復(fù)合材料呈現(xiàn)出均勻的中空球形結(jié)構(gòu)，顆粒分散良好，殼層由納米級晶粒緊密排列組成，Ta?O?和TiO?之間形成了良好的界面結(jié)合。材料結(jié)構(gòu)與形貌特點：中空結(jié)構(gòu)的存在顯著增加了材料的比表面積，經(jīng)BET分析測定，其比表面積達到[具體比表面積數(shù)值]m2/g，為光催化反應(yīng)提供了更多的活性位點。同時，中空結(jié)構(gòu)還增強了光的散射和反射能力，延長了光在材料內(nèi)部的傳播路徑，提高了光的利用效率。較小的晶粒尺寸有利于光生載流子的快速傳輸和擴散，減少載流子的復(fù)合，進一步提升了材料的光催化性能。優(yōu)異的光催化性能：以甲基橙和羅丹明B為目標污染物，對中空Ta?O?/TiO?復(fù)合材料的光催化性能進行測試，結(jié)果表明該復(fù)合材料對兩種污染物均具有良好的