掺杂Ce的TiO2纳米粒子的光致发光及其光催化活性
纳米TiO2材料的制备及其光催化性能研究
纳米TiO2材料的制备及其光催化性能研究随着经济的发展，人们生活水平的提高，人们逐渐意识到可持续发展的重要。
环境问题已严重影响现代文明的发展，有机污染物具有持久性的特点而长期威胁人类健康，开发和设计仅利用太阳能即可完成对有机污染物降解的新材料将会是解决环境问题的有效方法之一。
纳米TiO2作为一种光催化材料，具有优异的物理和化学性质，因而被广泛应用和重点研究。
本文就纳米TiO2材料的制备及其光催化性能展开探讨。
标签：纳米TiO2;光催化;制备方法;光催化效能引言半导体光催化技术是解决环境污染与能源短缺等问题的有效途径之一。
以二氧化钛为代表的光催化剂在染料敏化太阳能电池、锂离子电池、光伏器件以及光催化领域表现出明显的使用优势.但是TiO2本身的弱可见光吸收、低电导率、高载流子复合速率限制了其在工业生产中的进一步使用。
科技工作者一般通过掺杂、半导体复合、燃料敏化、表界面性质改性等方法提高TiO2的光电化学性能，使其能在生产实践中广泛应用。
1、TiO2材料简介TiO2在自然界中的主要存在形态为金红石、锐钛矿和板钛矿三种晶型，其中金红石是TiO2的高温相，锐钛矿和板钛矿两种形态是TiO2的低温相。
在三种晶型中光催化活性最好的为锐钛矿型TiO2。
锐钛矿型TiO2的禁带宽度为3.2eV 与之对应的激发波长为387nm。
所以，TiO2作为光催化剂在紫外光条件下具有催化活性，在可见光下一般没有活性。
只有对它的结构进行改性，使它的禁带宽度得以缩小，才可以实现材料在可见光条件下的催化降解反应。
改性的方式目前主要有以下几种方法：通过改变晶体内部结构来改变催化剂禁带宽度的离子掺杂方法，通过形成异质结改变能带结构的半导体复合法，提高催化剂对光的吸收能力的表面光敏化法，增大催化剂比表面积使晶粒细化的负载载体法等。
光催化材料中电子e一和空穴h十的浓度会影响有机物的降解速度。
粒径的减小能够使表面原子增加，使光催化剂吸收光的效率显著提高，使其表面e一和h十的浓度增大，从而提高光催化剂的催化活性。
超声微波辅助制备纳米TiO2及光催化性能研究
四、结论与展望
本次演示研究了超声微波辅助制备纳米TiO2及光催化性能研究。通过对比实验， 发现超声微波辅助制备的纳米TiO2具有更高的光催化活性和光电催化性能。这 主要归因于其优异的分散性和高比表面积。在此基础上，本次演示也探讨了超 声波和微波的作用条件对纳米TiO2制备和性能的影响规律。
然而，尽管超声微波辅助制备纳米TiO2在光催化领域展现出优越的性能，但仍 存在一些问题需要进一步研究和改进。首先，对于超声波和微波的协同作用机 制仍需深入探讨，以实现制备过程的进一步优化。其次，目前的研究主要集中 在实验室规模，如何实现规模化生产仍需进行大量研究工作。最后，如何提高 纳米TiO2的光电催化性能以及其在复杂污染物处理方面的应用仍需进一步探索。
展望未来，我们期望通过深入研究和优化超声微波辅助制备纳米TiO2的方法， 进一步提高其光催化性能和光电催化性能。希望能够在实践中将此技术推广应 用，解决实际环境问题，推动环境科学的进步。此外，我们也期望能够在其他 领域中发掘超声波和微波的应用潜力，为推动绿色科技的发展做出贡献。
谢谢观看
其中，超声微波辅助制备法因具有高效、节能、环保等优点而备受。本次演示 将围绕超声微波辅助制备纳米TiO2及光催化性能研究展开讨论。
二、超声微波辅助制备纳米TiO2
超声微波辅助制备纳米TiO2是一种绿色、高效的制备方法。其制备过程主要包 括以下几个步骤：首先，将TiO2前驱体溶液与超声波、微波发生器引入反应体 系中；然后，通过调控超声波、微波的强度和作用时间，实现前驱体的快速水 热反应；最后，经过离心、洗涤、干燥等后处理步骤，得到纳米TiO2粉末。
超声微波辅助制备纳米TiO2及光催化性 能研究
目录二、超声微波辅助制 备纳米TiO2
04 四、结论与展望
TiO2纳米粒子的合成及其光催化性能研究-实验讲义-2014
TiO2纳米粒子的制备及光催化性能研究一、实验目的1. 了解TiO2纳米多相光催化剂的催化原理及其应用;2. 掌握纳米金属氧化物粒子粉体的制备方法；3. 掌握多相光催化反应的催化活性评价方法；4. 了解分析催化剂结构及性能之间关系的方法。
二、仪器与药品四氯化钛(TiCl4)、钛酸四丁酯［Ti(0Bu)4］、罗丹明B盐酸、硝酸、无水乙醇、去离子水、磁力搅拌器、烘箱、控温马弗炉、低速离心机、分光光度计烧杯、离心试管、容量瓶、移液管三、实验原理1. TiO2纳米粒子的制备反应原理本实验采用有机和无机两种钛盐前体来制备TiO2纳米粒子(1) .以钛酸四丁酯Ti(0Bu)4为前体通过溶胶-凝胶法制备TiO2纳米粒子以钛醇盐Ti(OR)4( R为-C2H5, -C3H7, -C4H9等烷基)为原料，在有机介质中通过水解、缩合反应得到溶胶，进一步缩聚制得凝胶，凝胶经陈化、干燥、煅烧得到纳米TiO2, 其化学反应方程式如下：水解：Ti(OR) 4 + nH20 - Ti(OR)(4-n) (0H)n + nROH缩聚：2Ti(OR)(4-n)(OH)n - ［Ti(OR)(4-n)(。
册母。
+ 出0制备过程中各反应物的配比、搅拌速度及煅烧温度对所得TiO2纳米粒子的结构和性质都有影响。
⑵.以四氯化钛(TiCl4)为前体水解制备TiO2纳米粒子由于Ti离子的电荷/半径比大，具有很强的极化能力，在水溶液中极易发生水解。
发生的化学反应方程式如下：TiCl4 + 2H2O >TiO2 + 4HCl制备过程中各反应物的配比、反应温度、搅拌速度、溶液pH值及煅烧温度对所得TiO2纳米粒子的结构和性质都有影响。
2. TiO2光催化原理根据固体能带理论，如图1所示，TiO2半导体的能带结构是由一个充满电子的低能价带(valenee band, VB.)和空的高能导带(conduction band, C.B.)构成。
价带和导带之间的不连续区域称为禁带(禁带宽度Eg)。
TiO_2光催化剂非金属掺杂的机理研究进展
作者简介:吴雪松,男,江西九江人,硕士研究生,从事与环境功能材料的设计与研发,E -mail :fengcaihangban @ ,TEL :1376714020收稿日期:2008212210TiO 2光催化剂非金属掺杂的机理研究进展吴雪松,唐星华,张 波(南昌航空大学环境与化学工程学院,江西南昌 330036) 摘 要:根据国内外对TiO 2光催化剂改性的研究状况,将TiO 2光催化剂的改性研究分为金属离子掺杂、贵金属沉积、表面光敏化、复合半导体、非金属离子掺杂等方面。
其中,非金属掺杂较其他方式的掺杂优势明显,但其机理研究不够深入。
对TiO 2光催化剂的各种非金属掺杂的机理研究进展进行了综述。
关键词:TiO 2;非金属;改性 中图分类号:O 64411 文献标识码:A 文章编号:167129905(2009)0520033203 TiO 2在常温常压下能使水中造成污染的有机物较快地完全氧化为CO 2和H 2O 等无害物质,具有表面晶格缺陷、高比表面能、化学性质稳定、无毒、反应速度快、价格低廉等优点,是一种较为理想的光催化剂。
但是,TiO 2作为光催化剂的应用也存在不容忽视的缺点:吸光频带窄,光生空穴电子复合速度快,量子产率低,只对太阳光中的紫外光有响应。
为此,各国科研工作者积极探索TiO 2的改性方法。
TiO 2的改性大致包括金属离子掺杂、贵金属沉积、表面光敏化、复合半导体、非金属离子掺杂。
掺杂金属离子、金属氧化物,贵金属沉积、复合半导体等方法都有较好的可见光响应特性,但金属元素的掺杂使热稳定性变差,易成为电子-空穴对复合中心,降低了光催化活性,并且金属元素注入的成本也较高。
另外,金属元素掺杂还会降低紫外光活性。
表面光敏化存在受光腐蚀的现象,且可能产生二次污染。
与以上方法相比,掺杂非金属离子不但能将纳米TiO 2的光响应波长拓展至可见光区域,还能保持在紫外光区的光催化活性。
非金属元素掺杂TiO 2制取方式简单,光催化效率高,必将成为纳米TiO 2改性的主流方向。
二氧化钛纳米管在光催化的介绍和特点中的应用
二氧化钛纳米管在光催化的介绍和特点中的应用二氧化钛纳米管在光催化的应用，哎呀，这可真是一个有趣的主题！二氧化钛，咱们就叫它TiO2吧，大家都比较熟悉。
这东西在我们生活中其实很常见，比如说白色颜料、太阳能电池等。
而这些纳米管，可谓是小小的奇迹，表面上看起来不起眼，实际上却有着不一般的能力。
想象一下，微小的TiO2纳米管在阳光照射下，活像一位超级英雄，瞬间变得强大无比，开始处理那些污染物，真是让人感到惊叹。
光催化，听起来好像高大上，其实就是利用光的能量来推动化学反应。
TiO2在这个过程中可是个主力军，阳光一来，它就开始发挥自己的光辉作用。
这个过程就像是一场精彩的表演，TiO2把太阳光变成了能量，随后开始分解空气中的有害物质，嘿，真是环保小能手！想象一下，如果我们的城市都用上这种材料，空气质量可得多好多啊，简直就是让人忍不住想要为它打call！TiO2纳米管的特点也很吸引人，首先是它的表面积大，能和更多的污染物接触。
就像一个大网，能捕捉到那些小小的坏分子。
这玩意儿不仅稳定，耐高温，甚至可以在酸碱环境中保持自己的“酷”。
不管是雨打风吹，它都能安然无恙，继续工作，这点真是让人佩服得五体投地。
更有趣的是，TiO2的光催化过程是自发的，换句话说，太阳一照，它就自动工作，不需要我们再去添油加醋。
这种省心省力的特性，真是让人觉得，哎，这科技真是给力。
想想我们在家里用的那些清洁剂、消毒剂，很多时候都是化学反应的结果。
而TiO2的光催化，简直就像是给环境“洗澡”，不仅干净，还不怕伤害生态，真的是环保的小帮手。
TiO2纳米管的应用可不止于此。
在水处理方面，它也大显身手。
比如说，利用它来处理污水，污染物一碰到TiO2，咻的一声，就被分解得干干净净。
水清了，鱼也快乐了，整个生态系统都得到了保护。
想象一下，能喝到这么干净的水，生活的质量一下子就上去了，真是美滋滋。
说到这里，大家可能会问，TiO2有没有什么缺点呢？当然也有，毕竟没有完美的东西。
TiO2催化剂
纳米TiO2催化剂的制备改性、表征及在光催化氧化过程中的性能研究自从上世纪七十年代以来，二氧化钛在环境治理方面的研究被迅速开展起来。
二氧化钛最大的优点是无毒、抗腐蚀，由于具有稳定的物理和化学性质被广泛地用作催化剂和载体。
其中研究最多的是二氧化钛在光催化氧化过程中的应用。
当物质所具有的尺寸属于纳米级别（<100nm），其特殊的表面效应和体积效应决定了其具有特殊的化学性质。
由于纳米颗粒表面原子数与其总原子数之比随粒径变小而急剧增大，表面原子的晶场环境和结合能与内部原子大相径庭，从而使其具有很大的化学活性。
另外，纳米颗粒因其表面原子周围缺少相邻原子会存在许多悬空键，具有不饱和性质，这些因素将导致纳米颗粒的特殊吸附现象，反应活性和催化性质。
纳米二氧化钛催化剂由于其特殊的表面状态和表面能，具有很高的活性和吸附能力是一种性能优良的催化剂。
纳米材料的制备可分为物理方法和化学方法两大类。
物理方法包括机械研磨法、沉积法和熔融法等，其中最常见的为机械粉碎法。
物理方法通常能耗大、成本高、尺寸可控性差，可取之处在于所得材料的微晶结构较为完善、表面缺陷相对较小。
化学方法在微粒粒度、粒度分布、微粒表面控制方面有一定优越性，主要包括：化学气相沉积法、液相法、溶胶—凝胶法、固相反应法、辐射合成法。
1.纳米二氧化钛的制备纳米二氧化钛的合成方法很多中溶胶—凝胶法以其工艺简单、反应温度低、能耗小、且引入杂质的可能性小、制得的产品粒度小、纯度高、分散性好等优点，成为合成超细二氧化钛的主要方法。
溶胶—凝胶技术是指金属的有机或无机化合物经过溶液、溶胶、凝胶而固化，再经热处理而成为氧化物或其他固体化合物的方法，所需要的烧结温度比传统的固相反应法低200~500℃。
采用溶胶—凝胶法制备纳米二氧化钛，选择钛酸丁酯作为前驱物，令其均匀混合于无水乙醇中并发生水解与缩聚反应，形成稳定的溶胶体系，溶胶再经过陈化转变为凝胶，最后对凝胶进行热处理得到超细的二氧化钛颗粒。
纳米二氧化钛的制备与光催化性能研究毕业论文
毕业设计（论文）纳米二氧化钛的制备与光催化性能研究1 绪论二氧化钛，化学式为TiO2，俗称钛白粉，多用于光触媒、化妆品，能靠紫外线消毒及杀菌，现正广泛开发，将来有机会成为新工业。
二氧化钛可由金红石用酸分解提取，或由四氯化钛分解得到。
二氧化钛性质稳定，大量用作油漆中的白色颜料，它具有良好的遮盖能力，和铅白相似，但不像铅白会变黑[1]；它又具有锌白一样的持久性。
二氧化钛还用作搪瓷的消光剂，可以产生一种很光亮的、硬而耐酸的搪瓷釉罩面。
在过去的研究中，用半导体粉末对水、油和空气中的有毒有机化合物进行光催化降解和完全矿化引起了人们的大量关注。
由于抗光腐蚀性，化学稳定性，成本低，无毒和强氧化性，二氧化钛被作为应用最广泛的光催化剂来光降解水和空气中的有毒化合物。
但是二氧化钛具有较大的带隙（锐钛矿相二氧化钛为3.20ev）因此，只有较小一段太阳光区域，大约为2%~3%紫外光区可被应用[2]。
人们尝试用各种制备方法，如贵金属掺杂、氧化物复合、表面修饰等等方法，防止和减少电子与空穴的复合，提高催化剂的光催化活性。
众所周知，吸附和催化的效率与固体的孔径及表面积有关，因此，对二氧化钛进行修饰、改性及增大比表面积是提高光量子效率和增大反应速率的一个有效的方法与途径。
1.1 TiO2的结构与基本性质1.1.1物理常数及结构特征表1 TiO的物理常数1.1.2 TiO2的结构特征在自然界中，TiO2存在三种晶型结构，即金红石、锐钛矿和板钛矿。
这些结构的区别取决于TiO68-八面体的连接方式，图1-1是TiO68-八面体的两种连接方式，锐钛矿结构是由TiO68-八面体共边组成，而金红石和板钛矿结构则是由TiO68-八面体共顶点且共边组成。
锐钛矿TiO2中的每个八面体与周围8个八面体相连，金红石TiO2中每个八面体与周围10个八面体相连。
事实上锐钛矿可以看做是一种四面体结构，而金红石和板钛矿则是晶格稍有畸变的八面体结构[3]。
简单地认为锐钛矿比金红石活性高是不严谨的，它们的活性受其晶化过程的一些因素影响。
掺杂型纳米TiO2光催化降解亚甲基蓝
掺杂型纳米TiO2光催化降解亚甲基蓝1. 引言介绍光催化技术在水处理领域的应用，提出掺杂型纳米TiO2对亚甲基蓝的降解效果及其优势。
2. 实验方法详细介绍实验所采用的方法，包括纳米TiO2的合成、掺杂材料的制备以及实验条件和程序。
3. 结果与分析描述实验结果，分析掺杂型纳米TiO2光催化降解亚甲基蓝的反应机理和降解效果，包括掺杂对反应速率常数的影响、影响因素的分析以及反应产物的鉴定等。
4. 讨论与展望对实验结果进行讨论，分析存在的问题，并提出今后改进的方向和发展前景。
5. 结论总结本次实验的结论，强调掺杂型纳米TiO2光催化可以有效降解亚甲基蓝，对水处理具有很大的应用价值。
同时指出需要进一步研究以提高其实际应用效果，完善其理论基础。
随着经济和技术的发展，环境污染所引发的问题越来越引起人们的关注。
如何有效地处理废水，减少有害物质的排放，成为了研究的重点。
作为一种新型的水处理技术，光催化技术被广泛应用于水质净化领域。
光催化技术是指利用一些半导体材料（如钛酸钡、铟化镓、氮化硼等）在紫外线、可见光或者红外线辐射下产生有效的光催化活性物质，对有机物进行降解的一种技术。
目前，最常用的半导体催化剂是纳米钛酸盐（TiO2）。
纳米TiO2具有表面积大、光吸收能力强、化学性质稳定以及无毒性等特点，被广泛应用于环境领域的污水处理、空气净化以及医学领域等。
然而，TiO2光催化反应在实际应用中存在一些问题，如催化剂的稳定性不足以及光催化反应速度慢等。
为了解决这些问题，研究者们对TiO2催化剂进行了一系列的改进研究，提高了催化剂的稳定性和光催化效率。
其中，掺杂型纳米TiO2经过改进后显示出了较好的光催化活性和稳定性。
本文在掺杂型纳米TiO2光催化技术的基础上，研究其在亚甲基蓝的水处理中的降解效果。
亚甲基蓝是一种广泛存在于工业废水中的难降解有机物，自然界中很难被分解，因此对环境具有较大的危害。
通过研究掺杂型纳米TiO2的光催化降解亚甲基蓝的效果，并探究反应机理和影响因素，以期为水资源的保护和环境的治理提供一定的理论依据。
TiO2纳米结构、复合及其光催化性能研究共3篇
TiO2纳米结构、复合及其光催化性能研究共3篇TiO2纳米结构、复合及其光催化性能研究1TiO2纳米结构、复合及其光催化性能研究随着环境污染日益严重，光催化技术逐渐成为一种重要的治理手段。
其中，TiO2因其良好的光催化性能，在光催化领域中得到了广泛应用。
近年来，随着纳米技术的发展，研究人员开始尝试制备TiO2纳米结构及其复合材料，以提高其光催化性能。
本文将就TiO2纳米结构、复合及其光催化性能进行探讨。
TiO2是一种广泛应用于光催化领域的半导体材料。
其中，纳米级TiO2颗粒具有更高的比表面积和更好的光催化性能。
通过控制TiO2颗粒的形貌和尺寸，可以进一步提高其光催化性能。
目前，制备TiO2纳米颗粒的方法主要有溶胶-凝胶法、水热法、气-液界面法等。
其中，溶胶-凝胶法是最常用的制备方法之一。
通过将钛酸四丁酯、乙醇等原料混合后，进行溶胶-凝胶、干燥、煅烧等步骤，即可制备纳米级TiO2颗粒。
研究表明，通过控制煅烧温度和时间，可以控制TiO2颗粒的尺寸和形貌。
例如，较高温度和较长时间会导致颗粒尺寸增大，形貌由球形转变为椭球形或纺锤形等。
除了纳米颗粒外，掺杂和复合是另一种提高TiO2光催化性能的有效手段。
掺杂主要是通过将其他元素掺入TiO2晶格中，以改变其电子结构，提高光催化性能。
目前常用的掺杂元素包括银、氮、碳等。
复合则是将TiO2与其他材料复合，以提高其光催化稳定性和性能。
常用的复合材料包括金属氧化物、石墨烯、聚合物等。
对于掺杂TiO2，研究发现，掺杂银元素可以增加TiO2的光催化活性和稳定性。
由于银元素具有良好的表面等离子共振吸收效应，可促进TiO2的光吸收和电子传输。
同时，掺杂氮和碳元素可以缩小TiO2带隙，增强光吸收效果。
对于复合TiO2，研究发现，纳米级TiO2颗粒与金属氧化物复合，可以提高其光吸收和电子传输效果，从而提高光催化性能。
总体而言，制备TiO2纳米结构、掺杂和复合是提高TiO2光催化性能的有效手段。
tio2异质结光催化基本原理’
tio2异质结光催化基本原理’TiO2异质结光催化基本原理随着环境污染和能源危机的日益严重，寻找一种高效、环保的能源转化和污染治理方法成为迫切的需求。
光催化技术作为一种具有巨大潜力的技术，在能源转化和环境治理领域得到了广泛的关注和研究。
其中，TiO2异质结光催化作为一种重要的光催化材料，其基本原理和机制备受关注。
TiO2异质结是指由TiO2光催化剂与其他材料组成的异质结构。
通过与其他材料的接触和相互作用，提高了光催化剂的光吸收能力和光生载流子的分离效率，从而提高了光催化剂的催化性能。
在TiO2异质结光催化过程中，光生载流子的产生是关键步骤。
当光照射到TiO2异质结表面时，光子被吸收并激发了材料中的电子，产生了光生电子和空穴。
其中，光生电子具有较高的还原能力，可以参与氧化反应；空穴具有较强的氧化能力，可以参与还原反应。
因此，光生电子和空穴的分离是实现高效光催化的关键。
TiO2异质结中的其他材料在光生载流子的分离和传输中起到了重要的作用。
例如，与TiO2形成异质结的半导体材料能够与TiO2形成p-n结或n-n结，形成内建电场，有利于光生载流子的分离。
此外，TiO2异质结中的金属纳米颗粒能够作为光生电子的接收剂，提高光生载流子的分离效率。
此外，还有一些有机物质可以吸附在TiO2异质结表面，增加光催化剂的光吸收能力。
除了光生载流子的分离，光催化反应的速率也取决于反应物质的吸附和表面活性。
TiO2异质结的表面具有较高的比表面积和活性位点，可以提供更多的吸附位点和反应位点，从而增加反应物质的吸附量和反应速率。
光催化反应的条件也对反应速率和效果有重要影响。
光照强度、光照时间、反应温度等因素都会影响光生载流子的产生和反应物质的吸附与反应。
合理调控这些条件，可以优化光催化反应的效果。
总结起来，TiO2异质结光催化的基本原理是通过与其他材料形成异质结构，提高光催化剂的光吸收能力和光生载流子的分离效率，从而实现高效的光催化反应。
tio2光催化机理
tio2光催化机理
Tio2光催化机理是指二氧化钛（TiO2）在光照条件下产生催
化活性的过程。
这种机理分为两个步骤：光吸收和电子传递。
1. 光吸收：当二氧化钛暴露在紫外光照射下时，其能带结构会导致电子从价带跃迁到导带。
在此过程中，二氧化钛会吸收光的能量，并激发电子到导带。
2. 电子传递：激发到导带的电子和剩余在价带的空穴会在二氧化钛表面发生传递过程。
这些激发态的电子和空穴可以与水中的氧分子和水分子发生反应，产生一系列的氧化还原反应。
例如，激发态的电子可以与水中的氧分子反应，生成一种强氧化性的氢氧离子自由基（•OH），这种自由基可以氧化有机物质。
而激发态的空穴则可以氧化水分子，生成一种强还原性的氢离子自由基（•H），这种自由基可以分解有机物质。
综上所述，Tio2光催化机理是指二氧化钛在光照条件下，通
过吸收光的能量，激发电子和空穴，进而发生一系列氧化还原反应的过程。
这种光催化机理在环境污染治理、清洁能源等领域具有广泛的应用前景。
二氧化钛光催化材料研究现状与进展
二氧化钛光催化材料研究现状与进展二氧化钛（TiO2）作为一种重要的半导体光催化材料，在环境治理、能源转化和新能源开发方面具有广泛的应用潜力。
本文将介绍二氧化钛光催化材料的研究现状和进展。
目前，二氧化钛光催化材料的研究主要集中在可见光响应和光催化活性的提高上。
传统的二氧化钛主要响应紫外光，而可见光区域占了太阳光的大部分能量，因此实现可见光响应是提高二氧化钛光催化性能的重要途径之一一种常用的策略是通过掺杂其他元素来实现可见光响应。
例如，掺杂氮、碳等非金属元素可以改变二氧化钛的带隙结构，使其能够吸收可见光。
此外，过渡金属氧化物（如Fe2O3、WO3等）和半导体（如Bi2O3、ZnO等）的掺杂也可以改善二氧化钛的可见光催化性能。
这些掺杂可以提高二氧化钛的吸光能力，增加光生电子-空穴对的产生，从而提高光催化活性。
另一种策略是通过结构调控来提高二氧化钛的光催化性能。
例如，将二氧化钛构筑成纳米结构或多孔结构，可以增加其比表面积和光吸收能力，提高光催化反应的效率。
此外，采用复合材料可以进一步提高二氧化钛的光催化性能。
例如，将二氧化钛与其他半导体、金属纳米粒子等复合，可以形成协同效应，提高光生电子-空穴对的产生和利用效率。
在二氧化钛光催化材料的应用方面，除了环境治理和能源转化外，还包括新能源开发领域。
例如，可通过二氧化钛光催化材料将太阳能转化为化学能，实现光电催化制氢。
此外，二氧化钛光催化还可以应用于电化学合成、光催化合成等方面。
总的来说，二氧化钛光催化材料的研究已经取得了显著的进展。
通过掺杂和结构调控等方法可以实现二氧化钛对可见光的响应，并提高光催化活性。
未来的研究可以继续挖掘二氧化钛光催化材料的潜力，拓展其在环境治理、能源转化和新能源开发方面的应用。
二氧化钛光催化技术介绍
纳米二氧化缺光催化技荷介^纳米光催化探用二氧化金太(TiO2)半^髓的效鹿启攵勤材料表面吸附氧和水分，走生活性氢氧自由基(OH.)和超氧陪雕子自由基(02-), ^而^化舄一希重具有安全化孥能的活性物筲起到碳化降解璞境污染物和抑菌杀殳菌的作用。
纳米二氧化金太(TiO2)光催化利用自然光即可催化分解^菌和污染物，具有高催化活性、良好的化孥穗定性、照二次污染、照刺激性、安全照毒等特黑占，且能畏期有益於生熊自然璞境，是最具有^畿前景的^色璞保催化蒯之一。
然毒害的纳米TiO2催化材料，充分畿撞抗菌、降解有^污染物、除臭、自浮化的功能，是^璞保型功能材料^施方便、雁用性弓鱼，能^ 用到生活空^的多重埸合，畿撞其多功能效废，成舄我仍生活璞境中起畏期浮化作用的璞保材料。
光催化原理-什麽是光催化光催化［Photocatalyst ］是光［Photo二Light］ +催化蒯［catalyst］的合成羞司。
主要成分是二氧化金太（Ti02）,二氧化金太本身照毒照害，已腐泛用於食品，髻桑，化片攵品等各希重令臭域。
光催化在光的照射下畲走生^似光合作用的光催化反雁（氧化-遢原反雁，走生出氧化能力桎弓鱼的自由氢氧基和活性氧，是些走物可^M^菌和分解有檄污染物。
亚且把有檄污染物分解成照污染的水（H20）和二氧化碳（C02）,同畤它具有杀殳菌、除臭、防汗、^水、防紫外^泉等功能。
光催化在微弱的光%泉下也能做反底若在紫外#泉的照射下光催化的活性畲加逾近来，光催化被餐舄未来走棠之一的纳米技彳桁走品。
-光催化反雁原理TiO2富吸收光能量之彳爰，僵带中的雷子就畲被激畿到^带，形成带^雷的高活性雷子e-,同畤在僵带上走生带正雷的空穴h+。
在雷埸的作用下，雷子典空穴畿生分雕，暹移到粒子表面的不同位置。
熟力孥理言禽表明，分怖在表面的h+可以将吸附在TiO2表面OH-和H2O 分子氧化成（OH.）自由基,而OH.自由基的氧化能力是水髓中存在的氧化蒯中最弓鱼的，能氧化亚分解各重有^污染物（甲醛、苯、TVOC等）和^菌及部分照檄污染物（氨、NOX 等），亚将最^降解舄CO2、H2O 等照害物鼻由於OH自由基封反废物^乎MB®性，因而在光催化中起著〉夬定性的作用。
碳掺杂TiO_2可见光光催化剂的制备及可见光光催化性能
碳掺杂TiO_2可见光光催化剂的制备及可见光光催化性能曹广秀;曹广连;陈淑敏;李素芝【摘要】以乙二胺和钛酸四丁酯作为原料,采用改进的溶胶-凝胶法合成了碳掺杂TiO2可见光响应的光催化材料.以XRD、TEM、XPS、UV-vis等手段对样品进行了表征.结果表明：碳掺杂可以阻止样品由锐钛矿相向金红石相的转变,同时还可以抑制晶粒的生长.碳取代晶格中氧原子形成Ti—C键和O—Ti—C键,它能改变TiO2的能带结构,诱导可见光响应,还可提供新的活性点;碳掺杂400℃煅烧的样品具有较强的可见光响应.可见光下降解亚甲基蓝（MB）的结果表明：乙二胺加入1 mL,煅烧温度400℃时的样品具有最高的可见光光催化活性.%Carbon doped TiO2 photocatalysts were synthesized by a simple sol -gel process using tetrabutyl titanate (TBT) and ethylenediamine as precursors and characterized by XRD, TEM, UV -vis and XPS methods. Results showed that carbon doping could not only efficiently inhibit the grain growth but also suppress the phase transition of anatase to rutile. XPS results presented that the Ti--C and O--Ti--C bonds have been formed, which can extend the optical absorption into visible light region and induce new active sites. When the volume of ethylenediamine is 1 mL and calcined at 400℃, the degradation rate of MB over the sample was the highest than other samples.【期刊名称】《商丘师范学院学报》【年(卷),期】2012(028)009【总页数】5页(P63-67)【关键词】掺杂;可见光;二氧化钛;光催化【作者】曹广秀;曹广连;陈淑敏;李素芝【作者单位】商丘师范学院化学化工学院,河南商丘476000;上海现代哈森（商丘）药业有限公司,河南商丘476000;商丘师范学院化学化工学院,河南商丘476000;商丘师范学院化学化工学院,河南商丘476000【正文语种】中文【中图分类】O614.411半导体光催化剂由于可广泛应用于有机污染物废水的处理、空气的净化、清洁能源的生产，越来越受到人们的关注.在众多半导体光催化剂中，二氧化钛具有价格低廉、无毒、性能稳定等特点，已成为目前光催化领域的研究热点.但是，二氧化钛在实际应用中还存在诸多缺陷，其中主要有:一是TiO2具有较大的带隙能(≈3.2 eV)，只能利用太阳光中约3% －5%的紫外光;二是纳米尺寸的TiO2光催化剂难以分离和循环使用，造成处理成本的提高;三是光催化氧化过程为不连续操作，导致处理效率较低和光催化剂的流失［1－4］.2001年，Asahi等［5］根据电子密度函数理论预测，由于掺杂的新态带隙不匹配，碳掺杂不能产生可见光响应.2002年，Khan等［6］通过控制Ti金属在天然气火焰上燃烧热解获得碳掺杂TiO2，带隙能减小至2.32 eV，其吸收边红移至535 nm，显示了可见光响应.光分解水实验结果表明，该催化剂的最大光化学转换效率(光能转化为化学能的效率)达到8.35%，提高了近8倍.而且该催化剂经6个月同样条件(40 mW/cm2的氙灯照射)下的测试，仍然维持相同的光化学转换效率.可见该可见光光催化剂具有稳定的可见光光催化性能.碳掺杂通过两种晶格电子密度的重叠，产生吸收带边的红移，这一发现为TiO2光催化剂的非金属掺杂及可见光响应研究提供了一条新途径.本文以改进的溶胶－凝胶法合成了碳掺杂的TiO2可见光光催化剂，用于降解染料废水中的亚甲基蓝，表现出较强的可见光光催化性能.同时，掺杂碳所需的原材料价廉易得，而且合成方法简单易于控制，为光催化的工程化提供一种有效的手段. 钛酸四丁酯，乙二胺，乙醇，亚甲基蓝等均为分析纯，水为去离子水.量取0～3 mL乙二胺溶解在100 mL去离子水中.将0.1 mol的钛酸四丁酯溶解在100 mL的无水乙醇中，室温搅拌下，将钛酸四丁酯乙醇溶液滴加到乙二胺的溶液中，出现白色沉淀.滴加完毕后，在室温下搅拌12 h，使钛酸四丁酯继续水解得到均匀的溶胶.然后，将溶胶在100℃烘干10 h，蒸去水分和乙醇，得到淡黄色的凝胶.分别在400℃、500℃、600℃煅烧得棕色到淡黄色的粉末状掺杂二氧化钛.样品表示为:CxT－t，x代表乙二胺的体积(ml)，t表示煅烧温度(℃).产物的物相分析在D/max 2550V(Rigaku Co.Japan)型X－射线衍射仪上进行，测定条件为:Cu靶，Kα 射线(λ =0.15406 nm)，管压40 kV，管流250 mA，扫描范围为20°～80°(2θ)，步进速度为0.02°/s.紫外－可见漫反射光谱(UV－Vis DRS)在PE Lambda 950光谱仪上进行，以BaSO4为参比样，波长范围为:200－800 nm.颗粒形貌在JEM－100CX II透射电子显微镜上观察.X－射线光电子谱(XPS)在 Kratos Axis Ultra上进行，使用Al Kα X射线(1486.6 eV)，并以C1s的结合能(284.4 eV)对其他结合能进行校正.将0.1 g光催化剂置入盛有100 mL 1.5×10－5M的亚甲基蓝溶液的光反应器内，300 W的氙灯作为光源，光源在反应器的垂直上方30 cm;ZJ－420滤光片置于反应器的上端，将低于420 nm的光滤掉.在没有光照的情况下，考察光催化剂对亚甲基蓝的吸附情况，然后打开光源，每隔0.5 h取一次样，在664 nm的波长处测量其吸光度，以标准曲线求出其相应的浓度，然后计算其降解率.图1给出了不同掺杂浓度和不同煅烧温度所制备样品的XRD图谱，可以看出:所有掺杂样品都为锐钛矿相，说明碳掺杂可以较好地抑制锐钛矿向金红石相的转变.其原因主要有:一是碳类物质覆盖在TiO2颗粒的表面形成类核－壳结构，作为壳的碳类物质成为相转移的壁垒，阻止锐钛矿向金红石相转变，这是因为锐钛矿相是动力学稳定结构，而金红石相是热力学稳定结构，当提高温度时，能量首先被表面的碳所吸收，因此保护了作为核的TiO2不发生相变［7］.锐钛矿相是对光催化最有利的结构.图2表明:当碳的浓度提高时，样品的晶粒尺寸减小，说明碳作为壳有效地抑制TiO2晶粒的生长.当煅烧温度由400℃升至600℃时，晶粒逐渐增大，晶化程度逐渐提高.同时还可以看到，随着温度的不断提高，晶粒之间开始发生团聚，造成样品的比表面积下降，600℃煅烧的样品比表面积下降到47.8 m2/g，从而造成该样品催化活性的降低.图3A给出了样品C1T－400、C1T－500和C2T－400的C1s谱.从图中可以看出:样品C1T－500呈现五个峰，处于281.0 eV和282.3 eV的两个峰归结于部分碳原子取代了TiO2晶格中的氧原子形成Ti—C键［8，9］.结合能为284.6 eV的峰是C1s的特征峰，它来源于环境或者有机物的残留，化学态为C—C键.处于287.0 eV和288.9 eV的两个峰分别属于C—O键和C O键，它们是由有机物燃烧形成的碳酸盐所致［10］.有研究者认为该二峰是碳原子在热处理过程中由于散射而进入TiO2晶格中形成C—Ti—O键而引起的［11］，Valentin的理论也证实了该观点［12］.我们认为这两个峰归属于Ti—C键和C—Ti—O键的形成.样品C2T－400的C1s谱基本和C1T－400一致，但是处于288.9 eV的峰基本消失，说明该样品中的碳原子在热处理过程中没有进入TiO2晶格中形成C—Ti—O键.因此，碳掺杂的TiO2可以写成TiO2－xCx.样品C1T－400的C1s谱中，处于281.0 eV和282.3 eV的两个峰没有明显观察到，表明样品没有形成Ti—C键.图3B给出样品C1T－400、C1T－500、C2T－400和C2T－500的Ti2p谱，呈现两个峰，它们分别为Ti2p3/2和 Ti2p1/2，Ti2p3/2的峰位于 458.3 －459.1 eV，Ti2p1/2的峰位于 464.2 －464.8 eV，标准 TiO2的 Ti2p3/2的峰一般位于459.2 eV.和标准TiO2相比较，四个样品的Ti2p3/2的峰都向低结合能方向移动，这是由于碳的引入，产生的Ti3+使钛原子周围的电子云密度增加，导致它们的结合能降低［13，14］.从图4可以观察到:所有样品在紫外区都有较强的吸收.和纯TiO2相比，碳掺杂TiO2样品都显示红移，随着掺碳量的增加，其红移程度逐渐增强，说明随碳的增加，碳取代TiO2晶格中氧的数量也增加，形成的Ti—C键也较多，使TiO2的带隙能减小较大.另外，随着煅烧温度的提高，光谱红移的程度降低，说明温度提高，进入晶格中的碳又分解成二氧化碳而逸出，使形成的Ti—C键也减少.从而减弱光谱红移的程度.从图5可以看出:在同一煅烧温度下得到的样品，随着碳掺杂量的增加，其在可见光下对亚甲基蓝的降解能力逐渐减弱，这是因为碳掺杂量的增加，虽然抑制了TiO2颗粒的生长，使样品的比表面积增加，但是，较多的碳覆盖在TiO2的表面，使亚甲基蓝分子难于与TiO2接触，而碳又不具有光催化活性，因此导致光催化活性降低.和纯TiO2在可见光下降解亚甲基蓝相比较，碳掺杂TiO2的光催化活性都有一定的提高，主要原因是掺杂碳后，样品的比表面积得到了提高;同时，碳掺杂使样品的光谱吸收发生红移.当煅烧温度提高时，样品的可见光催化活性降低，其原因为:一是温度提高使TiO2的颗粒增大并发生团聚，导致比表面积降低;二是样品中掺杂碳的量随着温度的提高而减少，使样品在可见光区的响应减弱(见图4);三是TiO2表面和晶格中的氟随着煅烧温度的提高而部分逸出，降低了酸性活性点.采用改进的溶胶－凝胶法，以乙二胺和钛酸四丁酯为原料合成了可见光响应的光催化剂.碳的掺杂可以抑制样品由锐钛矿相向金红石相的转变，又能提高比表面积.碳取代晶格中氧原子形成Ti—C键，它能改变TiO2的能带结构，在价带和导带之间形成中间态，使光谱吸收红移至可见光区;同时，碳原子进入晶格中形成O—Ti—C 键，它可提供新的活性点.可见光下降解亚甲基蓝的结果表明:乙二胺加入1 mL，煅烧温度为400℃时得到的样品具有最高的可见光光催化活性.【相关文献】［1］Chen C C，Ma W H，Zhao J 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Tio2的光催化性能研究
TiO2的光催化性能研究摘要：主要介绍二氧化钛的光催化原理，基本途径，以及光催化剂的结构特性和影响因素，还讲述了关于二氧化钛的光催化应用。
关键字：二氧化钛光催化光催化剂，俗称钛白粉，多用于光触媒、化妆品，能靠紫外二氧化钛，化学式为TiO2线消毒及杀菌，现正广泛开发，将来有机会成为新工业。
二氧化钛可由金红石用酸分解提取，或由四氯化钛分解得到。
二氧化钛性质稳定，大量用作油漆中的白色颜料，它具有良好的遮盖能力，和铅白相似，但不像铅白会变黑；它又具有锌白一样的持久性。
二氧化钛还用作搪瓷的消光剂，可以产生一种很光亮的、硬而耐酸的搪瓷釉罩面。
1 TiO的基本性质21.1结晶特征及物理常数物性：金红石型锐钛型结晶系：四方晶系四方晶系相对密度：3.9~4.2 3.8~4.1折射率： 2.76 2.55莫氏硬度：6-7 5.5-6电容率：114 31熔点：1858 高温时转变为金红石型晶格常数：A轴0.458,c轴0.795 A轴0.378,c轴0.949线膨胀系数：25℃/℃a轴：7.19X10-6 2.88？10-6c轴：9.94X10-6 6.44？10-6热导率： 1.809？10-3吸油度：16～48 18～30着色强度：1650~1900 1200~1300颗粒大小：0.2~0.3 0.3功函数：5.58eV2TiO的光催化作用22.1光催化作用原理二氧化钛是一种N型半导体材料，锐钛矿相TiO的禁带宽度Eg =3.2eV，由2半导体的光吸收阈值λg与禁带宽度E g的关系式：λg (nm)=1240/Eg(eV)上时，价带中的电子就会发生跃迁，可知：当波长为387nm的入射光照射到TiO2形成电子-空穴对，光生电子具有较强的还原性，光生空穴具有较强的氧化性。
在半导体悬浮水溶液中，半导体材料的费米能级会倾斜而在界面上形成一个空间电荷层即肖特基势垒，在这一势垒电场作用下，光生电子与空穴分离并迁移到粒子表面的不同位置，还原和氧化吸附在表面上的物质。
V单掺杂及共掺杂对TiO2光催化性能的影响的开题报告
Fe/Mo/V单掺杂及共掺杂对TiO2光催化性能的影响的开题报告题目：Fe/Mo/V单掺杂及共掺杂对TiO2光催化性能的影响一、研究背景和意义随着环境问题的日益突出，光催化技术作为一种环保、高效的处理污染物的方法受到越来越广泛的关注。
TiO2作为一种典型的光催化材料因其稳定、安全等优点受到了广泛的研究。
但是，TiO2本身的光催化活性有限，因此需要进行修饰以提高其光催化性能。
目前的研究表明，对TiO2进行掺杂可以显著提高其光催化活性。
其中，Fe、Mo、V等元素的掺杂被广泛研究。
同时，共掺杂也是提高光催化性能的有效途径。
因此，本研究旨在探究Fe、Mo、V单掺杂和共掺杂对TiO2光催化性能的影响，为其在环保领域的应用提供实验基础。
二、研究内容和方法本研究将采用杂化溶胶-凝胶法制备Fe、Mo、V掺杂的TiO2纳米材料，并利用X射线衍射仪、扫描电子显微镜等手段进行材料结构表征和形貌分析。
同时，采用紫外-可见吸收光谱、荧光光谱和光致发光谱等手段对纳米材料的光催化性能进行测试，比较不同掺杂方式对光催化性能的影响。
三、预期结果通过本研究，预计取得以下结果：1.成功制备出Fe、Mo、V单掺杂和共掺杂的TiO2纳米材料。
2.探究不同掺杂方式对TiO2光催化性能的影响，并比较其光催化活性和稳定性。
3.为探究Fe、Mo、V等元素对TiO2光催化的作用机制提供理论依据。
四、研究意义本研究将对TiO2的光催化性能提高方法进行探究，为制备高效、稳定的TiO2光催化材料提供实验基础。
同时，为了解Fe、Mo、V等元素在光催化中的作用机制，探究掺杂材料的光致发光谱、紫外光谱和荧光光谱等特性也具有理论意义。
五、研究进展目前已经计划确定了掺杂材料的制备方法，并采用X射线衍射仪和扫描电子显微镜等设备进行结构表征和形貌分析。
下一步将进行光催化实验并分析结果。
六、参考文献1. Si, Y.; Xu, J.; Chen, Y.; Quan, X. Synergistic effect of Mo and V codoped on the photoactivity and stability of TiO2 under visible light irradiation. Journal of photochemistry and photobiology. A, Chemistry 2019, 380, 111862.2. Yusefzadeh, M.; Taghipour, F. Titanium dioxide nanotube modified with Fe, Mo, V elements for degradation of organic pollutants: Investigating photocatalytic mechanism. Journal of the Taiwan Institute of Chemical Engineers 2017, 80, 936-943.3. Li, Y.; Lei, Y.; Zhang, Y.; Cai, Y.; Wei, X.; Li, B.; Liu, S.; et al. Improved photocatalytic hydrogen evolution of TiO2 by facile Fe doping. Journal of Physics and Chemistry of Solids 2020, 136, 109191.。
纳米二氧化钛光催化降解有机物研究发展
纳米二氧化钛光催化降解有机物研究发展1 基本原理1．1纳米微粒的基本理论纳米材料是指尺寸为纳米级的超细材料。
它的微粒尺寸大于原子簇，小于通常的微粒。
由于纳米TiO2特有的处于宏观和微观的之间的介关层次，使其具有不同于常规材料的物理化学性质。
其中就有光催化降解有机物。
1．2纳米TiO2的光催化特性1.2.1 光催化化学反应机理由于TiO2晶粒是一种禁带宽为3.2eV的宽禁带半导体，由填满电子的低能价带和空的高能价带构成。
当光照射在TiO2晶粒表面时，能量大于或等于3.2ev的光子可激发价带电子想导电跃迁，形成电子的一空穴对。
活泼的电子的空穴可以分别从半导体的导带和价带迁移至半导体吸附物界面，而且越过界面，使被西服的物质氧化和还原：同时也存在电子空穴的复合。
当周围介质中存在合适的俘获剂或缺陷时，电子和空穴的符合受到控制，就会在表面发生氧化还原反应，价带空穴是良好的氧化剂，导带电子是良好的还原剂，大多数光催化剂都是直接或间接的利用空穴的氧化能力。
在光催化半导体中，空穴具有更大的反应活性，是携带光电子能的主要部分，在水和空气体系中，可以于表面吸附的H2O 和OH-离子反应形成具有强氧化性的羟基。
表面羟基是光催化反应的强氧化剂，对催化氧化起决定性作用。
电子与表面吸附的分子氧反应，分子氧不仅参与还原反应，还是表面羟基另一个来源。
一方面，电子通过与分子氧反应形成超羟基，有机物被空穴或羟基氧化后在与分子氧反应形成有机样机，相对不活泼的超氧基与有机过氧基合并生成不稳定的有机四氧基，最终分解为CO2和H2O和无机小分子。
另一方面，表电子具有超强还原能力，可以除去水体系中的重金属因子。
氧的存在对半导体催化至关重要，没有氧的存在时，半导体的光催化活性则完全被抑制，通常，氧气起着光生电子的清除剂或引入级的作用。
半导体光催化反应的能力尤其能带位置及被吸附物质的还原点失所决定，同是也于晶体结构，晶格缺陷，晶粒尺寸的分布，黥面状态以及制备方面等诸多引述有关，其光谱响应与近代宽度有关。
纳米TiO_2的光致发光性能与SERS效应的关系
收 稿 日期 ： ０ ９０ —１ ２ ０ －４２ ．
基金项 目：国家 自然科学基金（ 准号 ： ０ ７ ０ ４， ０ ７ ０ ０ 、教育部引智计划 （ 批 ２ ７３ ４ ２８ ３ ５ ） 批准号 ：Ｂ ６ ０ ） ０ ０ ９ 和黑龙江 省普 通高等学校 青年 学术骨干支持计划项 目（ 批准号 ：１５ Ｇ１ ） １４ ３ 资助． 联系人简介 ：赵 冰 ， ， 男 博士 ，教授 ， 博士生导师 ，主要从事分子光谱研究．Ｅｍａ ： ｈ ｏ＠ｍａ ．ｌ．ｄ ．ｎ — ｉ ｚａｂ ｌ ｉ ｊ ｅｕ ｏ ｌ ｕ
型共 聚焦 显微 拉曼 光谱 仪测 量 ， 器 分辨 率为 ４ｃ 仪 ｍ～， 发光 源 为 空气 制 冷 氩离 子 激光 器 ，激 光波 长 激
为 ５４ ５ｎ 所有 拉 曼数 据均 为 ３ 累积 ３次 的结果 ． １． ｍ， ０Ｓ
１２ 样 品制 备 ．
ＴＯ 纳米粒子的制备参见文献 ［３ ．首先将 ５ｍ ｉ １］ Ｌ钛酸 四丁酯与 ５ｍ 无水 乙醇的混合液在剧烈 Ｌ
结构特性（ 如表面氧空位和缺陷等表面态 ） 以及光生 电荷 的分离与复合等信息 ， 是研究半导体纳米材料 电子结 构和 光学 性能 的有 效方 法 ¨’ ，也是 深入 探讨 Ｓ Ｒ Ｅ Ｓ机理 的重要方 面．本 文 采用 溶胶 一 热 法合 水
成 了 ＴＯ 纳米 粒 子 ， ｉ， 探讨 了样 品光致 发光 机制 及其 与 Ｓ Ｒ Ｅ Ｓ性 能 的关 系 ，为材 料 的进 一 步 开发 应 用提 供 了理论 依 据 ．
究 结果 表 明 ， ｉ ：ｔ— ｏｅｕｅ的 电荷 转 移 强 烈 依 赖 于 ＴＯ ＴＯ 一 ｍ ｌ ｌ ｏ ｃ ｉ 的 表 面 性 能 ，丰 富 的表 面 态 能 级 有 利 于
掺Sn的纳米TiO2表面光致电荷分离及光催化活性
物理化学学报（Wuli Huaxue Xuebao ）378Acta Phys.⁃Chim.Sin .熏2005,21(4):378~382April2004⁃08⁃11收到初稿,2004⁃11⁃11收到修改稿.联系人：王德军(E ⁃mail ：wangdj@;Tel ：0431⁃8499172).*国家自然科学基金(20171016;20273027;20301006)、中国博士后科学基金(20040350168)、黑龙江省教育厅骨干教师创新能力资助计划(1054G035)和黑龙江大学杰出青年基金(2003)资助项目掺Sn 的纳米TiO 2表面光致电荷分离及光催化活性井立强1,3付宏刚1,3王德军2魏霄2孙家钟1(1吉林大学理论化学研究所,理论化学与计算国家重点实验室;2吉林大学化学学院,长春130023;3黑龙江大学化学化工与材料学院物理化学实验室,哈尔滨150080)摘要采用溶胶⁃凝胶法制备了不同掺Sn 量的TiO 2纳米粒子,主要利用表面光电压谱(SPS)和光致发光光谱(PL)对样品进行了表征,并通过光催化降解苯酚实验来评估样品活性.重点考察了热处理温度和掺Sn 量对样品表面光生载流子的分离及光催化活性的影响,并探讨了Sn 使TiO 2纳米粒子改性的机制.结果表明,在适当温度处理下,适量Sn 的掺入能够有效促进TiO 2纳米粒子表面光生载流子的分离,以至于使其光催化活性得到显著提高.关键词:TiO 2,溶胶⁃凝胶法,掺杂,Sn,光催化中图分类号:O643,O644半导体光催化氧化技术在环境治理领域显示了广阔的应用前景.在众多的半导体中,TiO 2因其氧化能力强、活性高、化学性质稳定、无毒、成本低等特点,被认为是比较理想的光催化剂[1⁃2].但其活性仍不能满足实际需要.研究表明,提高TiO 2光催化活性的关键是减少光生电子与空穴复合几率,常用的改性方法有贵金属表面沉积、金属离子掺杂以及二元半导体偶合等[3⁃4].从文献看,宽窄半导体偶合是非常有效的,与TiO 2偶合的半导体有SnO 2[5⁃6]、WO 3[7]和ZnO [8]等,均能够提高活性.其中SnO 2与TiO 2的偶合能够明显改善活性,可能主要是由于二者电子能级的匹配有利于光生载流子的分离.表面光电压谱(SPS)和光致发光光谱(PL)能够揭示半导体纳米材料的表面结构特性(如表面氧空位和缺陷等)和表面态以及光生载流子的分离与复合等信息,从而为开发和制备高性能的半导体功能材料等提供有力的依据[9⁃12].而目前利用二者探讨半导体光催化剂表面光致电荷分离和活性关系的文献报道不多.本论文利用溶胶⁃凝胶法制备了掺Sn 的TiO 2纳米粒子光催化剂,实现了二种半导体的偶合.主要利用SPS 和PL 谱对样品进行表征,并揭示光致电荷分离行为及Sn 使TiO 2粒子改性的机制.1实验部分实验中所用试剂均为分析纯,水为二次蒸馏水,均没有进一步处理.1.1样品制备实验方法见文献[13,14].在剧烈地搅拌下,将10mL 钛酸四丁酯和40mL 无水乙醇的混合液缓慢地滴加到10mL 无水乙醇、10mL 水和2mL 硝酸的混合液中,进行水解,再继续搅拌3h,获得淡黄色的半透明TiO 2溶胶.将溶胶在室温下自然陈化6h 和70℃干燥36h,再在一定温度下焙烧2h,制得了纯的TiO 2纳米粒子.重复以上过程,并将10mL 水换成一定浓度的SnCl 4水溶液,同样可制得不同含量的掺Sn 的TiO 2纳米粒子.1.2样品表征用日本岛津Shimadzu XRD ⁃6000型转靶X 射线衍射仪(XRD)测试样品的晶型结构;用英国VGESCALAB MK Ⅱ型X 光电子能谱仪(XPS)测试样品的表面组成;用表面光电压谱仪(SPS)测试样品的表面光电性能;用美国PE 公司LS55型荧光光谱仪测试样品的光致发光(PL)性能.1.3样品光催化活性的测试以苯酚的光催化降解来评估样品的光催化活*No.4王德军等：掺Sn 的纳米TiO 2表面光致电荷分离及光催化活性图3600℃处理的不同掺Sn 量的TiO 2的SPS 谱Fig.3SPS responses of Sn doped TiO 2calcined at 600℃with different Sn contents图2不同温度焙烧掺Sn 的TiO 2的SPS 谱Fig.2SPS responses of Sn doped TiO 2calcined at different temperatures图1不同温度焙烧纯的(a)和掺5%(摩尔分数，下同)Sn 的(b)TiO 2纳米粒子的XRD 图Fig.1XRD patterns of pure (a)and 5%(molar fraction)Sn doped (b)TiO 2nanoparticlescalcined at different temperaturesR :rutile;A :anatase性,没有检测中间降解产物,方法见文献[13,14].光催化降解苯酚的实验在圆柱型石英光化学反应器(1000mL)中进行.以500W 高压汞灯作为外照光源,其最强辐射波长为365nm,反应器距光源为20cm.苯酚水溶液的起始浓度为0.20mmol ·L -1,体积为800mL,磁力搅拌保持体系中溶液浓度和温度的平衡.0.4g 样品放入苯酚溶液中,搅拌20min 后,开始光照计时.利用721型分光光度计以4⁃氨基氨替吡啉比色法在510nm 波长处测定苯酚浓度,并在相同条件下进行空白对照实验.2结果与讨论2.1XRD 和XPS 测试图1反映了不同温度焙烧纯的(A)和掺5%(摩尔分数，下同)Sn 的(B)TiO 2纳米粒子的XRD 图.在2=25.28°(101面)处的衍射峰是锐钛矿相的特征峰,而在2=27.4°(110面)处的衍射峰是金红石相的特征峰.对于纯TiO 2纳米粒子,在600℃焙烧下已经出现了金红石相.通过比较分析,发现Sn 的掺杂对TiO 2的相变影响甚微.XRD 衍射峰均比较宽化,表现出纳米粒子的特征[15].利用锐钛矿和金红石相的质量因子比值和谢乐公式对特征衍射峰强度进行估算[16],结果表明600℃处理的样品锐钛矿含量约为80%,微晶尺寸约为10nm,而金红石的微晶尺寸约为15nm.这种混晶结构通常表现出较高的光催化活性[1,3].XPS 测试结果表明,Ti 和Sn 均主要是以+4价态存在.而O 的XPS 峰比较宽化,可认为至少存在晶格氧和吸附氧两种化学态[15].结合XRD 结果,说明了Sn 主要是以SnO 2的化学形式比较均匀地弥散在TiO 2纳米微晶之间,以至于没有检测到Sn 的相应物相,同时形成复合半导体纳米粒子.2.2SPS 和PL 测试图2反映了不同温度焙烧的掺杂5%Sn 的TiO2379Ac ta Phys.⁃Chim.Sin.穴Wuli Huaxue Xuebao 雪熏2005Vol.21图5不同温度处理的掺Sn 的TiO 2纳米粒子的PL 光谱Fig.5PL spectra of Sn doped TiO 2nanoparticles calcined at different temperatures图4600℃处理的不同掺Sn 量的TiO 2纳米粒子的PL 光谱Fig.4PL spectra of Sn doped TiO 2nanoparticles calcined at 600℃with different Sn contents纳米粒子的表面光电压谱(SPS),可见600℃的样品具有最高的SPS 强度,意味着光生电子和空穴的分离效率较高[10,17].结合XRD 表征结果,证实了含有少量金红石相的混晶结构比较有利于光生载流子的分离.当焙烧温度为700℃时,SPS 信号强度明显最低,这是因为此时样品主要以金红石相存在,致使载流子复合几率较大.此外,通过电场辅助技术,更好地揭示了样品表面态以及异质结等的信息,其相关内容以及SPS 的详细解析待另文发表.图3显示了600℃处理的不同掺Sn 量的TiO 2纳米粒子的SPS,可见适量Sn 的掺杂能够使TiO 2的SPS 信号强度增大,当掺杂量为3%时,SPS 信号最强.如果掺杂量进一步增大,SPS 强度开始下降.SPS 结果表明,所形成的复合纳米粒子显示了比TiO 2单一组分更高的光生载流子分离效率.TiO 2(E g 约为3.2eV)可被波长短于400nm 的近紫外光激发,而SnO 2(E g 约为3.6eV)只能被短于345nm 的紫外光激发[18].因此,复合粒子SPS 信号主要源于TiO 2的价带向导带的电子跃迁.但由于SnO 2导带电位E CB =0eV(相对于NHE,pH=7),而相应TiO 2的导带电位E CB =-0.5eV [18],两者的差异使光生电子易于从TiO 2表面迁移到比其导带电位更正的SnO 2的导带上,这就有效地减少了光生电子和空穴在TiO 2表面复合的机会,以至于分离效率较高,SPS 信号较强.但是,如果掺杂Sn 的浓度过大,表面光电压信号会减弱,一方面是由于SnO 2的带隙能较大,使得样品的光吸收减弱;另一方面是Sn 的浓度过大,可能形成复合中心,则增大了光生电荷的复合几率,进而导致表面光电压信号下降.图4显示了600℃处理的不同掺Sn 量的TiO 2纳米粒子的光致发光(PL)光谱,可见在大于TiO 2带隙能的光激发下,样品均约在420nm 和480nm 处表现出显著的PL 信号,分析认为前者属于带边自由激子发光,而后者属于束缚激子发光,这些激子发光主要源于纳米粒子表面的氧空位和缺陷等[19⁃20].并且掺杂Sn 的TiO 2能够呈现出与纯的TiO 2相似线形的PL 光谱,这说明Sn 的掺杂没有引起新的发光现象.但是,适量Sn 掺杂使TiO 2的PL 光谱强度下降,当掺杂量为3%时,PL 信号最低.如果掺杂量进一步增大,PL 强度开始有些增加.此外,对不同温度焙烧的掺杂5%Sn 的TiO 2纳米粒子PL 光谱(见图5)测试表明,600℃处理的样品PL 强度最低.通380No.4王德军等：掺Sn 的纳米TiO 2表面光致电荷分离及光催化活性图6不同温度处理的掺Sn 的TiO 2纳米粒子上苯酚的光催化降解曲线Fig.6Curves of photocatalytic degradation of phenol on Sn doped TiO 2calcined at different temperatures图7苯酚在掺不同量Sn 的TiO 2上的光催化降解率Fig.7Photocatalytic degradation rate of phenol on Sn doped TiO 2with different Sncontent过与SPS 谱相比较可以发现,相应样品SPS 和PL信号强度的顺序和规律是相反的.根据相应产生机制,它们的结论是相符的.2.3光催化活性测试通过光催化降解苯酚实验来初步评价样品的光催化活性.图6显示了苯酚在不同温度焙烧的掺杂5%Sn 的TiO 2纳米粒子上的光催化降解曲线,可见600℃处理的样品具有最高活性.图7反映了600℃处理的不同掺Sn 量的TiO 2纳米粒子的光催化活性,结果表明,适量掺Sn 使TiO 2纳米粒子活性提高,当掺杂量为3%时,样品光催化活性最高.光催化氧化反应主要是利用光催化剂光生空穴的氧化能力.半导体价带电位越正,其光生空穴的氧化能力越强.光生载流子分离效率越高,光催化效率越高[1].SnO 2的价带电位比TiO 2的正,所以SnO 2光生空穴的氧化能力比TiO 2的强[18].但由于SnO 2的禁带宽度比较大,以至于在光催化过程中所使用的高压汞灯(max =365nm)很难将其激发,这样在光催化氧化过程中,主要是利用了复合纳米粒子中TiO 2的光生空穴.然而适量Sn 的掺杂,通过形成复合半导体纳米粒子,能够有效地改善TiO 2光生载流子的分离状况,这可从SPS 和PL 的测试上得到证实.此外,从SPS 和PL 谱图以及光催化降解曲线可以发现,它们之间存在一定的联系.这是因为SPS 信号越强,PL 信号越低,光生载流子越易分离,光催化活性越高.3结论（1）在适当温度处理下,适量掺杂Sn 能够有效地促进TiO 2纳米粒子表面光生载流子的分离,这主要与TiO 2和SnO 2的能级匹配有关.（2）适量掺杂Sn 能够显著提高纳米TiO 2的光催化活性,这与光生载流子分离效率提高是一致的,即光生载流子分离效率越高,光催化活性越高.References1Hoffman,M.R.;Martin,S.T.;Choi,W.;Bahnemann,D.W.Chem.Rev.,1995,95:692Fujishima,A.;Rao,T.N.;Tryk,D.A.J.Photochem.Photobiol.C,2000,1:13Litter,M.I.Appl.Catal.B ,1999,23:894Han,Z.H.;Zhao,H.Q.Progr.Chem.,1999,11(1):1[韩兆慧,赵化桥.化学进展(Huaxue Jinzhan ),1999,11(1):1]5Lin,J.;Yu,J.C.;Lo,D.;Lam,S.K.J.Catal.,1999,183:3686Bedja,I.;Kamat,P.V.J.Phys.Chem.,1995,99:91827Kwon,Y.T.;Song,K.Y.;Lee,W.I.;Choi,G.J.;Do,Y.R.J.Catal.,2000,191:1928Wang,C.;Zhao,J.C.;Wang,X.M.;Mai,B.X.;Sheng,G.Y.;Peng,P.J.Appl.Catal.B,2002,39:2699Lin,Y.H.;Wang,D.J.;Zhao,Q.D.;Yang,M.;Zhang,Q.L.J.Phys.Chem.B,2004,108:320210Jing,L.Q.;Sun,X.J.;Shang,J.;Cai,W.M.;Xu,Z.L.;Du,G.;Fu,H.G.Solar Energy 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paper,different Sn doped TiO 2nanoparticles were prepared by a sol ⁃gel method,and were mainly characterized by surface photovoltage spectrscopy(SPS)and photoluminescence spectroscopy (PL).The photocatalytic activity of the as ⁃prepared samples was evaluated by degrading the phenol solution.The effects of the calcination temperature and doping Sn content on the separation of surface photoinduced charge carriers and photocatalytic activity of TiO 2nanoparticles were discussed,and the modification mechanisms of Sn were analysed.The results showed that the appropriate content of Sn dopant could effectively promote the separation of surface photoinduced charge carrier of TiO 2nanoparticles calcined at appropriate temperature,which was responsible for the remarkable increase in photocatalytic activity.Keywords:TiO 2,Sol ⁃gel,Dopping,Sn,Photocatalysis382。
zn 掺杂tio2纳米粉体的结构特性及光催化活性解析
第８期姜洪泉，：ｎ等Ｚ掺杂ＴＯ纳米粉体的结构特性及光催化活性ｉ・２５・１７ＴＯ相比，ｎ掺杂ＴＯ纳米粉体的光催化活性ｉｚｎｉ的提高应归功于以下４方面共同作用的结果：ｚ ¨掺杂促进了光生电子和空穴的分离高了ｎ提量子化效率；抑制相变和晶粒长大，致光响应阈导值提高，强了光生ｅ／的氧化还原能力；增一ｈ增加了ＴＯ纳米粉体的表面羟基；ｉ：改善了样品表面的吸光性能．［］ＲＮＩ，ＶＳＮＴＡ．Ｓｎｈｓ，ｅａａ—６ＡＪＫＴＩＷＡＡＨＮＢｙｔｉｈｒｅＴｅｓｔｒｚｔｏａｐｏｏａａｙｉｐｒｐｅｔｅｏｒｎ—ｄｐｄｅｉａｉｎｎｄｈｔｃｔｔｃｏｒｉｓｆｉｏｌｏｅＴＯａｌｔ［］ｏｒａｏＰｏｃｅｓｎｈｔ—ｉ２ｔｙｓＪ．Ｊｕ１ｆｈｔｈｍｉｒａｄＰｏｏｃａｓｎｏｔｙｂｏｇｉｏＡ：Ｃｅｓ，１９，１８１：９—４ｌｙｈｍｉｒ９７０（）７８．ｔｙ［］尚静，朱永法，徐自力，等．用ＴＯ，ＺＯ及（）７ｉ。
ｎ１Ｆ：ｅＯ纳米粒子光催化氧化庚烷的反应［］Ｊ．催化学报，０３２（）３９—７．２０，５５：６３３［］井立强，８孙晓君，蔡伟民，等．纳米粒子ＴＯＴ膜的ｉ：ｉ表征及其光催化活性［］Ｊ。
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