鑭系元素摻雜納米tio2在光催化的應用

1、鑭系元素摻雜納米 TiO2 在光催化的應用摘 要 總結了近年來鑭系元素摻雜納米TiO2光催化的研究現(xiàn)狀，對其摻雜機理、制備方法(溶膠一凝膠法、沉淀法、浸漬法、水熱法等)和影響TiO2光催化效率與光譜響應范圍的因素，如摻雜金屬離子的種類、濃度、焙燒溫度等。關鍵字 關鍵字 納米二氧化鈦；金屬離子摻雜；光催化TiO2是一種性能良好的光催化半導體材料，在一定能量的光照條件下，可將環(huán)境中許多有毒有機污染物氧化分解為CO 、H2O或

2、簡單的無機物，由于納米TiO2由于具有活性高、穩(wěn)定性好、比表面積大、、光吸收性能力強、表面活性大、熱導性以及分散性能好等優(yōu)良特性對人體無毒、成本低且在太陽能儲存與利用、光化學轉換、廢水處理(有機污染物以及無機離子的降解)、空氣凈化以及殺菌、貴金屬回收和防霧和自沽表面等方面的廣泛應用而成為最具潛力的光催化劑。 但TiO2的電子和空穴容易發(fā)生復合，光催化效率低；帶隙較寬(約3.2eV)只能在紫外區(qū)顯示光化學活性，對太陽能的利用率小于1

3、0％。因此，為了提高光催化劑的光譜響應范圍和催化效率，人們采用了多種方法和手段以改善TiO2的這一性質缺陷。常用的有：表面光敏化、半導體復合、貴金屬沉積和金屬離子摻雜等。金屬離子摻雜就是將一定量的雜質金屬引入到TiO2的晶格中，從而引入缺陷位置或改變結晶度，影響電子與空穴的復合，提高光催化活性。某些金屬離子的摻入還可以擴展光吸收波長的范圍，故可更有效地利用太陽能。本人就鑭系中金屬元素摻雜TiO2的制備及其在光催化領域的研究現(xiàn)狀進行簡單總

4、結。1.摻雜TiO2反應機理[1]TiO2光催化的基本原理是：當用能量等于或大于其帶隙能的光照射催化劑時，價帶上的電子被激發(fā)，越過禁帶進入導帶，同時在價帶上產(chǎn)生相應的空穴，即生成電子一空穴對。電子和空穴分離后分別遷移至催化劑表面，能與吸附在表面上的物質發(fā)生氧化還原反應。光生空穴具有很強的氧化能力，可使絕大多數(shù)有機物氧化，電子受體可以通過接受表面的電子而被還原。金屬離子摻雜通過捕獲電子或空穴以及抑制電子-空穴對的復合速率影響TiO2的光催

5、化活性。摻雜離子與TiO2中光生電子和空穴的反應方程為：Mn++ecb-—M(n-l)+ 電子捕獲Mn+ +hvb +— M (n+l)+空穴捕獲當Mn+ /M(n-l)+ 的能級低于TiO2的導帶能級Mn+ /M(n-l)+的能級高于TiO2的價帶能級，反應才能發(fā)生。由于雜質能級位于TiO2的禁帶之中，導帶上的電子和價帶上的空穴可被雜質能級捕獲，使電子和空穴分離，從而降低了電子一空穴對的復合幾率，延長了載流子的壽命。因此，既可捕

6、獲電子又可捕獲空穴的摻雜離子將顯示較高的光催化活性；同時，TiO2帶隙中這種能級的引入，使能量較小的光子能激發(fā)摻雜能級上捕獲的電子和空穴，使TiO2的吸收帶邊紅移，拓展了光譜響應范圍。2.摻雜TiO2制備方法在合成摻雜鑭系元素的納米二氧化鈦有關文獻中都是運用溶膠凝膠技術進行合成。這種方法是在用溶膠一凝膠法制備TiO2納米粒子的過程中，加入金屬離子的鹽溶液，之后將形成的凝膠進行干燥燒結。這種方法避免了以無機鹽為原料的陰離子污染問題，不需要

7、洗滌過濾，不產(chǎn)生大量廢液，并且這種方法制備出的粒子尺寸小，金屬粒子在TiO2中的分布均制了e -／h-復合；摻雜可以造成晶格缺陷，有利于形成更多的Ti3+ 氧化中心。除此之外，實驗條件對光催化性能的影響有很大影響，如催化劑用量，燒結溫度，摻雜量等對催化劑催化活性的影響。例如釤離子摻雜有利于TiO2光催化劑的活性提高，其中1.5%為最佳摻雜比例。當摻雜量太高，電子和空穴的復合率增大，因而光催化活性下降。參考文獻[1]牛新書,李紅花,蔣凱.

8、金屬離子摻雜納米TiO2光催化研究進展[J].電子元件與材料，2004,8:40-45[2]蔡河山 ,黎曉霞 ,劉國光等.Gd摻雜TiO2納米晶的酸催化Sol—gel法制備與表征[J].材料工程,2009,3[3]張宗偉,樊君.Tb摻雜對納米TiO2光催化活性的影響[j].石油化工,2007,9（36）:956-960[4]井立強,孫曉君,蔡偉民等.摻bu雜Ce的TiO2納米粒子的光致發(fā)光及其光催化活性[J].化學學報,2003,8（6

9、1）:1241-1245[5]王彥,蘇會東.銪摻雜納米二氧化鈦光催化實驗研究[J].2005,129(31)[6] 陳俊濤,李新軍,楊瑩等．稀土元素摻雜對Ti02薄膜光催化性能的影響[J].中國稀土學報，2003,21(專輯):67～71[7] Xiao Jiangrong,Peng Tianyou,Li Ran,et a1.Preparation phase transformation and photocatalytic acti

10、vities of ceriundoped mesoporous titania nanoparticles[J].Journal of SolidState Chemistry.2006.179:1 161—1170．[8]周藝,李志偉,徐協(xié)文.Pr3+ ,Ho3+摻雜Ti02納米粒子的光催化性能[J].湖南師范大學自然科學學報,2003,26(2):70一72[9]石建穩(wěn),鄭經(jīng)堂,胡燕等.Ho摻雜納米TiO2光催化性能研究[J].太

11、陽能學報,2007,10（28）:1120-1124[10]李萌,張志煜,崔作林.鑭摻雜納米TiO2薄膜的制備及對甲醛的光催化降解[J].青島科技大學學報，2004,2（25）：144-148[11]楊武,郭 昊,張文皓等.Pr摻雜TiO2光催化劑的制備及其對酸性品紅降解反應的催化性能[J],光譜學與光譜分析,2008,4（28）:922-925[12]梁眷華,吳峰.釤離子摻雜二氧化鈦光催化降解甲基橙研究[J].環(huán)境保護科學,2008