One-step synthesis of hierarchically porous hybrid TiO₂ hollow spheres with high photocatalytic activity

Abstract

Hierarchically porous hybrid TiO₂ hollow spheres were solvothermally synthesized successfully by using tetrabutyl titanate as titanium precursor and hydrated metal sulfates as soft templates. The as-prepared TiO₂ spheres with hierarchically pore structures and high specific surface area and pore volume consisted of highly crystallized anatase TiO₂ nanocrystals hybridized with a small amount of metal oxide from the hydrated sulfate. The proposed hydrated-sulfate assisted solvothermal (HAS) synthesis strategy was demonstrated to be widely applicable to various systems. Evaluation of the hybrid TiO₂ hollow spheres for the photo-decomposition of methyl orange (MO) under visible-light irradiation revealed that they exhibited excellent photocatalytic activity and durability.

Keywords

titania / hybrid composite / hollow spheres / photocatalytic property

References

[1] Joo J B, Zhang Q, Lee I, . Mesoporous anatase titania hollow nanostructures though silica-protected calcinations. Advanced Functional Materials, 2012, 22(1): 166–174

[2] Chen X, Mao S S. Titanium dioxide nanomaterials: synthesis, properties, modifications, and applications. Chemical Reviews, 2007, 107(7): 2891–2959

[3] Asahi R, Morikawa T, Ohwaki T, . Visible-light photocatalysis in nitrogen-doped titanium oxides. Science, 2001, 293(5528): 269–271

[4] Liu G, Wang L, Yang H G, . Titania-based photocatalysts − crystal growth, doping and heterostructuring. Journal of Materials Chemistry, 2010, 20(5): 831–843

[5] Klauson D, Portjanskaya E, Budarnaja O, . The synthesis of sulphur and boron-containing titania photocatalysts and the evaluation of their photocatalytic activity. Catalysis Communications, 2010, 11(8): 715–720

[6] Lü X, Huang F, Mou X, . A general preparation strategy for hybrid TiO₂ hierarchical spheres and their enhanced solar energy utilization efficiency. Advanced Materials, 2010, 22(33): 3719–3722

[7] Wang C, Ao Y, Wang P, . Preparation, characterization, photocatalytic properties of titania hollow sphere doped with cerium. Journal of Hazardous Materials, 2010, 178(1–3): 517–521

[8] Yu J, Zhang L, Cheng B, . Hydrothermal preparation and photocatalytic activity of hierarchically sponge-like macro-/mesoporous titania. Journal of Physical Chemistry C, 2007, 111(28): 10582–10589

[9] Syoufian A, Satriya O H, Nakashima K. Photocatalytic activity of titania hollow spheres: Photodecomposition of methylene blue as a target molecule. Catalysis Communications, 2007, 8(5): 755–759

[10] Liu Y. Hydrothermal synthesis of TiO₂–RGO composites and their improved photocatalytic activity in visible light. RSC Advances, 2014, 4(68): 36040–36045

[11] Yu J, Liu S, Yu H. Microstructures and photoactivity of mesoporous anatase hollow microspheres fabricated by fluoride-mediated self-transformation. Journal of Catalysis, 2007, 249(1): 59–66

[12] Liu C, Zhang D, Sun Y. Synthesis of hollow anatase spheres with enhanced optical performance. CrystEngComm, 2014, 16(36): 8421–8428

[13] Zhao D, Peng T Y, Xiao J R, . Preparation, characterization and photocatalytic performance of Nd³⁺-doped titania nanoparticles with mesostructured. Materials Letters, 2007, 61(1): 105–110

[14] Parida K M, Sahu N. Visible light induced photocatalytic activity of rare earth titania nanocomposites. Journal of Molecular Catalysis A: Chemical, 2008, 287(1–2): 151–158

[15] Wang C, Ao Y H, Wang P F, . Preparation, characterization and photocatalytic activity of the neodymium-doped TiO₂ hollow spheres. Applied Surface Science, 2010, 257(1): 227–231

[16] Zhao D, Peng T Y, Liu M, . Fabrication, characterization and photocatalytic activity of Gd³⁺-doped titania nanoparticles with mesostructured. Microporous and Mesoporous Materials, 2008, 114(1–3): 166–174

[17] Peng T Y, Zhao D, Song H B, . Preparation of lanthana-doped titania nanoparticles with anatase mesoporous walls and high photocatalytic activity. Journal of Molecular Catalysis A: Chemical, 2005, 238(1–2): 119–126

[18] Zhang J L, Wu Y M, Xing M Y, . Development of modified N doped TiO₂ photocatalyst with metals, nonmetals and metal oxides. Energy & Environmental Science, 2010, 3(6): 715–726

[19] Shi J W, Chen J W, Cui H J, . One template approach to synthesize C-doped titania hollow spheres with high visible-light photocatalytic activity. Chemical Engineering Journal, 2012, 195–196: 226–232

[20] Wu L, Yu J C, Fu X. Characterization and photocatalytic mechanism of nanosized CdS coupled TiO₂ nanocrystals under visible light irradiation. Journal of Molecular Catalysis A: Chemical, 2006, 244(1–2): 25–32

[21] Zhang Y J, Yan W, Wu Y P, . Synthesis of TiO₂ nanotubes coupled with CdS nanoparticles and production of hydrogen by photocatalytic water decomposition. Materials Letters, 2008, 62(23): 3846–3848

[22] Bhatkhande D S, Pangarkar V G, Beenackers A A. Photocatalytic degradation for environmental applications − a review. Journal of Chemical Technology and Biotechnology, 2002, 77(1): 102–116

[23] Reddy K M, Manorama S V, Reddy A R. Bandgap studies on anatase titanium dioxide nanoparticles. Materials Chemistry and Physics, 2003, 78(1): 239–245

[24] Stengl V, Bakardjieva S, Murafa N, . Visible-light photocatalytic activity of TiO₂/ZnS nanocomposites prepared by homogeneous hydrolysis. Microporous and Mesoporous Materials, 2008, 110(2–3): 370–378

[25] Bessekhouad Y, Robert D, Weber J V. Photocatalytic activity of Cu₂O/TiO₂, Bi₂O₃/TiO₂ and ZnMn₂O₄/TiO₂ heterojunctions. Catalysis Today, 2005, 101(3–4): 315–321

[26] Bandara J, Hadapangoda C C, Jayasekera W G. TiO₂/MgO composite photocatalyst: the role of MgO in photoinduced charge carrier separation. Applied Catalysis B: Environmental, 2004, 50(2): 83–88

Rights & permissions

Higher Education Press and Springer-Verlag Berlin Heidelberg