钼酸铋光催化剂的制备及其光催化性能研究学士学位论文

┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊
安徽工业大学
学士学位论文（设计）论文题目：钼酸铋光催化剂的制备及其光催化性能研究
┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊
安徽工业大学
毕业设计(论文)任务书
课题名称钼酸铋光催化剂的制备及其光催化性能
研究
学院材料科学与工程学院
专业班级
姓名
学号
毕业设计（论文）的主要内容:
近几年，光催化已经成为光化学反应的一个前沿领域，在处理各种生物难降解有机废水方面有很广阔的应用前景。

如何制备能响应于太阳光的光催化剂和如何推广其实际应用成为了当今光催化研究的主攻方向。

本文，以硝酸铋和钼酸钠为原料制备钼酸铋光催化剂，以亚甲基蓝染料溶液模拟染料废水，研究钼酸铋光催化剂对染料废水的催化降解效果。

并研究了催化剂量对其光催化降解效果的影响。

指导教师签字：
┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊
钼酸铋光催化剂的制备及其光催化性能研究
摘要
近几年，光催化已经成为光化学反应的一个前沿领域，在处理各种生物难降解有机废水方面有很广阔的应用前景。

如何制备能响应于太阳光的光催化剂和如何推广其实际应用成为了当今光催化研究的主攻方向。

当前研究主要集中在以下两个方面：一、探索高比表面积光催化材料的合成方法，提高光催化剂对废水中污染物的吸附能力，从而提高光催化材料对废水中污染物的光催化降解能力。

二、选择合适的且能响应于太阳光的光催化材料，为光催化氧化的实际应用化提供可能。

本论文采用固相法制备了Bi20MoO33光催化材料，并通过XRD，SEM和UV-Vis 等测试手段对该光催化剂进行了表征。

结果表明，用该法制备的Bi20MoO33光催化剂在紫外和可见光区均有较强的光吸收性能。

以亚甲基兰作为被降解物质，在太阳光照射下来研究其光催化活性，发现Bi20MoO33对亚甲基兰有较强的降解作用，8 h亚甲基兰降解率达到84%。

关键词: 光催化氧化法; 钼酸铋; 光催化剂; 亚甲基蓝
┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊
Preparation and Photocatalytic Properties of Bismuth Molydate
Photocatalyst
Abstract
In recent years, photocatalysis has been a one-up field in photochemistry, and has widely applied foreground in disposing organic waste water. Now, it is the major research direction how to synthesize the sunlight-driven photocatalysts and further apply the photocatalysts to the wastewater treatment. The current reseach is focused on the following two aspects: one is the exploring synthesis methods of photocatalysts with high specific surface areas, and promoting the adsorption properties of the synthesized phtocatalysts, and consequently promoting photocatalytic degradation activities of the photocatalysts on the pollutants; and the other is how to selecte the sunlight-driven photocatalysts and make it applicable to use photocatalytic oxidation technique in real waste water treatment.
In this paper, Bi20MoO33photocatalysts were successfully synthesized by the solid-state reaction method, and characterized by the XRD、SEM and UV-Vis technologies. Test results showed that Bi20MoO33 photocatalyst has strong photo-absorption property both in the UV region and the visible light region. The photocatalytic activity of Bi20MoO33photocatalyst had been tested on the decomposable substrate methylene blue under sunlight illumination. Test results revealed that the degradation ratio of methylene blue was up to 84% through 8 h under sunlight irradiation, which made photocatalyst have greatly potential applications.
Keywords: Photocatalytic oxidation; Bismuth molybdate; Photocatalysis; Methylene blue
┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊
目录
引言 (1)
1 文献综述 (2)
1.1 光催化研究背景 (2)
1.2 光催化氧化技术 (3)
1.2.1光化学反应基础[11] (3)
1.2.2 光催化氧化过程 (3)
1.2.3 光催化氧化的基本原理 (3)
1.3 影响光催化剂活性的因素 (6)
1.3.1 半导体的能带 (6)
1.3.2 半导体的晶体及结构 (6)
1.3.3 晶体尺寸及比表面积的影响 (6)
1.3.4 催化剂形貌的影响 (7)
1.3.5 反应体系条件的影响 (7)
1.4 提高光催化剂光催化效率的有效途径 (8)
1.4.1 掺杂 (8)
1.4.2 贵金属沉积 (10)
1.4.3 半导体复合 (10)
1.4.4 染料敏化 (11)
1 .5 半导体光催化剂的制备方法 (11)
1.6 光催化材料的应用 (12)
1.6.1 有机污染物的处理 (12)
1.6.2 无机污染物的处理 (12)
1.6.3 光催化在卫生保健方面的应用 (13)
1.6.4 光催化分解水制氢气 (13)
1.6.5 光催化化学合成 (13)
1.6.6 CO2还原 (14)
1.7 钼酸盐的研究进展 (15)
1.8 本论文研究内容及意义 (16)
2实验部分 (17)
┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊
2.1实验器材及试剂 (17)
2.2催化剂的制备 (18)
2.3 光催化活性试验 (18)
2.4结果和讨论 (18)
2.4.1 样品的XRD分析 (18)
2.4.2 样品的SEM分析 (19)
2.4.3 样品的紫外漫反射 (20)
2.4.4 催化剂的光催化活性 (21)
2.4.5光催化剂光生电子转移的可行性途径 (22)
2.4.6光催化剂的量对光催化剂光催化活性的影响 (23)
2.4.7光催化剂的循环使用 (23)
结论 (24)
致谢 (25)
参考文献 (26)
引言
随着社会的快速发展和科技的进步，人类在创造了巨大的财富的同时，也带来了能源危机和环境污染问题。

目前，世界能源主要依赖于不可再生的化石资源，以现有的开采和消费速度，石油和天然气在未来的四十到六十年便消耗殆尽，即使是含量稍多的煤炭资源，也仅能维持二百多年。

解决当前日益严重的能源短缺和环境污染问题是实现经济可持续发展和提高人们生活质量的迫切需要，对环境污染的有效控制与治理已迫在眉睫。

尤其，随着染料和印染工业的飞速发展，染料废水已成环境重点污染源之一。

染料废水是难处理的工业废水之一，具有种类多、色度深、碱性大、有机污染物含量高、排放量大、毒性大、可生化性差等特点。

另外，大多数染料为毒性大且难降解的有机物，其化学稳定性强，具有致癌、致畸、致突变等作用，还严重破坏水体、土壤及生态环境，对人们的生存环境及其身体健康构成了极大的威胁。

因此，开展对染料废水的治理研究具有非常重要的现实意义。

另外，人类能持续找到便宜实惠的新能源来代替旧的能源，是可持续发展的必要条件。

其关键在于技术的进步，将人们原本不知如何利用的能源、资源，便宜地转换成可利用的能源资源。

从能源的来源考虑，化石能源、水能、风能等主要来自于太阳，而化石能源面临枯竭，太阳能对短暂的人类历史则是取之不尽用之不竭的。

20 世纪70 年代以来，太阳能科技突飞猛进，太阳能的直接利用日新月异。

如果能利用绿色的取之不尽的太阳能解决当前的能源短缺问题，同时不对环境产生二次污染，且可对已有污染进行降解，那将是人类面临的完美选择。

半导体光催化氧化技术由于其在解决能源和环境问题方面的重大应用前景引起了广大科学研究者的广泛兴趣。

因此，利用自然的太阳能，制备能影响于太阳光的光催化剂，对现有环境污染进行治理，进行废物再利用，既节约了能源，又减少了环境污染具有很重要的现实意义。

1 文献综述
1.1 光催化研究背景
科技的迅猛发展极大地推进了人类社会的物质文明，也给地球环境带来了破坏性的污染。

环境污染不但严重影响人类的身体健康，也给社会带来了难以估量的经济损失，环境污染的控制与治理是人类二十一世纪面临和等待解决的重大课题。

然而，在众多的环境污染中水体污染越来越严重。

众所周知，水是人类生存必不可少的一个重要因素。

随着世界人口的增多，工农业的急剧发展，工业废水、生活垃圾对水体的破坏和污染也日益严重，人类本已经有限的淡水资源受到日益严重的污染，水资源危机正在困扰制约着许多国家和地区社会经济的可持续发展，清除水体中的有毒有害化学物质，如有机化学品、农药、表面活性剂等已经成为环保领域的一项重要工作。

根据污染物在水处理过程中的变化特征，可将废水处理技术分为三种类型，即分离处理、转化处理、稀释处理。

分离处理只是将污染物从水相转移到其它相，并不能使有机污染物得到彻底的分解或无害化。

稀释处理只是通过稀释废水来减轻水体的污染程度，既不能把污染物分离，也不会改变污染物的化学本质。

转化处理则是通过化学的或生化的作用改变污染物的化学本性，使其转化为无害的或可分离的物质。

随着环保技术的发展和人们对水体质量要求的提高，转化处理日益受到重视。

自从1972年日本学者Fujishima和Honda[1]在n-型半导体TiO2单晶电极上发现水的光电催化分解制氢以来，多相光催化技术引起了科学工作者的极大关注, 从此开创了半导体光催化处理废水技术的新纪元。

光催化降解技术具有以下优点[3]:
(1) 降解速度快，一般只需几十分钟到几小时即可取得良好的废水处理效果;
(2) 降解无选择性，几乎能降解任何有机物，尤其适合于氯代有机物、多环芳烃等;
(3) 氧化反应条件温和，投资少，能耗低，用紫外光照射或暴露在阳光下即可发生光催化氧化反应;
(4) 无二次污染，有机物被彻底氧化降解为CO2和H2O;
(5) 应用范围广，几乎所有的含有机物的污水都可以采用。

从七十年代末开始，利用半导体光催化剂处理各类废水中的污染物的研究已有大量报道[2-10]，其降解对象涉及酚类[2]、染料[3]、烃类[4]、表面活性剂[5]、有机颜料[6]、芳烃[7]、重金属类[8]、杀虫剂[9]、除草剂[10]等多种常见难生物降解的有机化合
物、重金属和部分无机化合物。

光催化氧化法具有很强的氧化性，对于染料、表面活性剂、有机卤化物、农药、油类、杂环化合物等难被生物降解的物质能进行有效地光催化降解，并且具有很好的降解效果，经过持续反应可以达到完全矿化。

因此光催化氧化法在降解有机污染物方面更具有意义。

1.2 光催化氧化技术
1.2.1光化学反应基础[11]
分子、原子、自由基或离子吸收光子而发生的化学反应，称为光化学反应。

化学物种吸收光量子形成激发态物种，其基本步骤为:
A十hυ→ A*(1.1)
式中: A*一一A物种的激发态
hυ一一光量子
随后，激发态的A*可能发生如下几种反应:
A* → A + hυ(1.2)
A* + M → A + M (1.3)
A* → B1 + B2 +﹍(1.4)
A*＋C→ D1 + D2 +﹍(1.5)
式(1.2)为辐射跃迁，即激发态物种通过辐射荧光或磷光而失活。

式(1.3)为无辐射跃迁，亦即碰撞失活过程。

激发态物种通过与其他分子M碰撞，将能量传递给M，本身又回到基态。

以上两种过程均为光物理过程。

式(1.4)为光离解过程，即激发态物种离解成为两个或两个以上新物种。

式(1.5)为A*与其他分子反应生成新的物种。

这两种过程均为光化学过程。

对于环境化学而言，光化学过程更为重要。

受激发态物种会在什么条件下离解为新物种，以及与什么物种反应可产生新物种，对于描述污染物的环境归宿具有重要意义。

1.2.2 光催化氧化过程
光催化氧化有机物是一个循环过程，其特征为以光活性半导体材料为媒介，促使电子从有机基质到无机受体(如O2)的转移，催化剂(媒介)充当电子转移的中转站的作用。

再氧化的光催化剂能够用于下一次的电子转移系列，从而构成一个大循环，直到有机供体(有机物)完全矿化为止，整个过程结束。

即光催化剂在太阳光或紫外光照射下，产生强氧化能力的自由基或激发态物质等，通过一系列变化使污染物氧化的一种高级氧化法。

1.2.3 光催化氧化的基本原理
-2 -4 -6
-8
-2
2
4
1.7
CdS
3
TiO
2
3
3
Fe O
3
Vaccum E vs NHE 图1.1各种半导体化合物导带和价带的位置[2]
图1.2纳米光催化剂内电子空穴对的产生、复合与分离[2]
根据定义，半导体粒子含有能带结构, 被价电子占有的能带称价带(VB)，它的最高能级即价带缘，其相邻的那条较高能带处于激发态，称为导带(CB)，导带最低能级即为导带缘。

价带缘与导带缘之间，有一能量宽度为E g的禁带。

常用半导体化合物的禁带宽度与标准氢电极电位(NHE)及真空(Vacuum)能级的相对位置见图1.1。

光催化剂
A 还原D
D 氧化
图1.3 纳米光催化剂光催化机理示意图
当照在半导体上的光电子能量等于或大于禁带宽度时，价带上的电子(e -)就被激发跃迁到导带，形成带负电的高活性电子e -cb , 同时价带上产生带正电的空穴(h +)，受光照射时半导体内的变化见图1.2和 图1.3。

光生空穴有很强的得电子能力，具有强氧化性，将其表面吸附的OH -和H 2O 氧化成·OH 自由基，·OH 自由基是光催化反应的一种主要活性物质，对光催化氧化起决定作用，其几乎无选择地能将有机物氧化，并最终降解为CO 2和H 2O 。

也有部分有机物与h +直接反应；而迁移到表面的e -则具有还原能力。

当光致电子-空穴对在离半导体表面足够近时，载流子向表面移动到达表面，活泼的电子、空穴都有能力还原和氧化吸附在表面上的物质。

同时，电子和空穴还可以重新结合，因此，只有抑制电子与空穴的复合，才有可能使光化学反应发生。

基本反应表达式[12, 13]：
M + h υ → M + h + + e - (1-6)
h + + e - → 热量 (1-7)
H 2O → H + + OH - (1-8)
h + + OH - (ads) → HO·(ads) (1-9)
h + + OH - (ads) + O 2- (L) → HO·(ads) + H + + O 2-(L) (1-10)
h + + H 2O (ads) → HO·(ads) + H + (1-11)
e - + O 2 → O 2- (1- 12)
O 2- + H + → HO 2· (1- 13)
2 HO 2·→ H 2O 2 + O 2 (1- 14)
H2O2 + O2- → OH·+ OH- + O2 (1-15)
H2O2 + hυ→ 2 OH· (1-16)
Organ + OH·+ O2 → CO2 + H2O + 其它产物(1-17)
M n+ (金属离子) + ne-→ M0(1-18)
其中L代表晶格位置，ads表示吸附
1.3 影响光催化剂活性的因素
提高光催化效率是发展光催化技术的目的之一，无论对复合还是单一的半导体光催化剂来说，其催化效率直接取决于催化剂在光催化过程中表面产生的有效氧化物种，这些氧化物种具有强的氧化能力可直接参与对有机污染物的降解，最终消除污染。

然而在光催化过程中氧化物种的产生和进一步氧化作用受制于诸多因素。

1.3.1 半导体的能带
半导体的能带(E g) 大小直接关系到半导体对光的吸收情况，根据方程E g= h c/λ，其中h、c和λ分别表示普朗克常数、光速和波长。

由上述公式可得出：λ(nm)≤1240/E g (eV)，因此，半导体的能带值越小对光的吸收范围越大。

一般来说，半导体的价带顶位置代表其空穴的氧化电位的极限，当物质的氧化电位在半导体价带顶上方时，原则上都可以被光生空穴氧化；而还原电位位于半导体导带底下方的物质则可被光生电子还原。

此外，当光生空穴的氧化能力足够强时，空穴能够与H2O反应生成·OH，这样一来作为溶剂H2O与催化剂的接触更易于降解污染物。

可见，半导体的光吸收范围与其氧化能力两种因素是有矛盾的，并不是光吸收值越大或者氧化能力越强的光催化剂就越好，更合适的选择是两者取得一个平衡。

1.3.2 半导体的晶体及结构
对于具有多晶相的半导体来说，晶相对其光催化活性、能带宽度和热稳定性等都有重要的影响。

以TiO2为例，其主要有锐钛矿和金红石相两种晶型，二者都属于四方晶系[9]。

但二者在结构上的差异导致了两种晶体有不同的电子能带结构。

研究表明：锐钛矿相的禁带宽度为3.2 eV，而金红石为3.0 eV。

理论上讲金红石相对光的吸收范围应该更大，但实际上在紫外光照射下，锐钛矿相的TiO2的光催化活性比金红石强得多。

一般认为这是由于金红石型TiO2对O2的吸附能力较差，比表面积较小，光生电子和空穴容易复合造成的。

1.3.3 晶体尺寸及比表面积的影响
晶粒尺寸和比表面积是影响半导体光催化剂催化活性的重要因素。

晶粒尺寸对光催化的影响主要有以下三个方面：
(1) 小尺寸能加速催化剂光生载流子的传输。

计算表明，对于1 μm大小的TiO2，电子从半导体内部到达表面的时间是100 ns，而对于10 nm尺寸的TiO2纳米颗粒，电子传输时间仅为10 ps[14]。

一般来讲，电子与空穴的复合时间仅为几个纳秒[15]。

因此，对于纳米半导体来说，光生载流子的分离效率是非常高的，这也是纳米材料的光催化剂的活性高于普通半导体的原因。

(2) 对光的吸收蓝移。

与块体材料相比，纳米粒子的吸收边带普遍有“蓝移”现象，即吸收带向短波方向移动。

半导体吸收带边的变化实质是由纳米材料的小尺寸效应所引起的。

当粒子尺寸达到纳米数量级时，量子尺寸效应会使其导带和价带能级变得更为分立，导致禁带变宽，并使吸收波长蓝移，禁带变宽也使得电子-空穴具有更强的氧化还原电位，有利于提高催化剂的光催化活性。

(3) 小尺寸催化剂能引起对污染物吸附能力的改变。

粒子的粒径越小，单位质量的粒子数越多，相应比表面积越大。

表面积大则吸附量大，催化剂表面的活性点位越多，有利于反应在催化剂表面上进行，表现出更高的光催化活性。

此外，半导体粒径的减小能够使光催化剂表面原子增加，光吸收效率提高，不易达到饱和状态。

同时，较小的粒径也减小了光的漫反射作用，提高了对光的吸收量。

1.3.4 催化剂形貌的影响
形貌的改变会引起样品粒子尺寸、带隙能及比表面积的一系列变化，从而极大的影响了入射光的利用率。

例如一维和二维半导体材料对光生电子-空穴对的快速定向传输是有利的，因此可以延长载流子的寿命从而提高光催化效率。

而三维结构的材料则因具有高的比表面积，有利于被降解物分子与催化剂的充分接触，且三维孔道结构有利于吸附反应中间产物，以便使降解反应进行得更彻底。

1.3.5 反应体系条件的影响
在光催化过程中除了材料本身的因素外，诸多客观因素也对催化剂的催化效率产生了不可忽视的影响。

(1) 催化降解过程反应体系的温度。

因为光催化反应多为一级或二级动力学反应，所以温度是决定光催化反应速率的关键因素之一。

但是由于光反应速度相当的快，受温度影响的其它步骤如吸附、解吸、表面迁移和重排都不是决定光催化反应速率的关键步骤，因此光催化反应对温度的变化并不是非常敏感。

在实际的光催化过程中，温度对有机污染物降解速度的影响是有限的。

但为了保证反应体系温度的恒定，大多数光催化反应装置都配有恒温冷凝装置。

(2) 反应物初始浓度的影响。

在光催化反应体系中，反应物浓度对降解速率有较大影响，这是因为当反应物初始浓度较低时，反应物分子与催化剂表面活性位点之间的反应没有阻碍，降解速率很快；随着反应物浓度的增加，越来越多的反应物分子被吸附在催化剂表面，在催化剂表面内层聚集的反应物分子会产生对活性点的竞争吸附，降低了羟基自由基产生的数量，从而导致光降解污染物的效率降低。

(3) 催化反应体系pH值的影响。

反应体系pH值从两个方面影响了催化剂对有机污染物的降解速率。

一方面，pH值的改变可以促使半导体表面带电状态的变化，影响反应物聚集浓度的大小，当体系pH值较低时，催化剂表面因吸附H+而带正电，反之，催化剂表面因吸附OH-而带负电。

催化剂的带电性对污染物的吸附起着重要的作用，这种吸附作用对电子-空穴的吸附-解吸过程有明显的影响，从而影响了光催化反应；另一方面，pH值还会影响某些有机物的存在状态，使得pH值的变化对不同反应物降解的影响有所不同，这直接关系到催化剂表面自由基的产生和有机污染物的分解。

(4) 外加添加剂和外加场的影响。

实验研究表明：外加O3、H2O2、Fenton、S2O82-等试剂对光催化降解也有促进作用。

这一方面是由于这些试剂本身就是氧化剂，能够氧化部分有机物或其降解中间物；更重要的是，这些试剂的加入会与光催化过程相互作用形成更多强氧化性的活泼自由基，很大程度地提高了光降解速率。

在光催化体系中加入阳离子、阴离子和其它化学试剂对光催化速率也有一定的影响，这可能与加入这类物质后光催化剂表面和体系中电荷的改变，以及影响到催化剂与降解物的迁移路径有关。

外加场如电场、磁场、超声场等对光催化剂的催化活性有一定的促进作用。

超声波在催化剂表面产生瞬间的高温、高压微环境，促进·OH、·O2、·HO2等自由基的生成，可加速反应的进行；微波场的强极化作用可以提高光生电子的跃迁几率，从而提高光催化活性；电场的引入则可以实现催化剂表面的光生载流子的定向分离、减少复合几率。

总之，复合氧化技术或外加场的引入都可以提高催化剂的光催化活性，即对有机物的降解效率达到了1 + 1 > 2 的耦合协同作用。

这类组合技术近些年来已成为光催化领域的研究热点之一，尤其在环境污染治理领域更显示了广阔的应用前景。

1.4 提高光催化剂光催化效率的有效途径
为了提高太阳光的利用率，加强半导体光催化剂的效率，现阶段已积累了大量用来抑制半导体光生电子与光生空穴的复合的措施和拓展催化剂在可见光的响应的办法，下面列举了几种常见措施。

1.4.1 掺杂
掺杂可以分为非金属和金属元素掺杂两种。

以TiO2掺杂为例，通过非金属元素的掺杂实现TiO2对可见光具有响应的研究是TiO2在改性中取得最成功的突破之一。

对于非金属元素掺杂引起TiO2的可见光响应，目前普遍认为是：因为非金属元素掺杂后改变了TiO2相应的能级结构，即形成了新的掺杂能级所造成的。

由于O的2p轨道和其它非金属元素中与其能量接近的p轨道杂化后，价带变宽上移，禁带宽度相应减小。

掺杂能级可以接受TiO2价带上的激发电子，或者吸收光子促使电子跃迁到TiO2的导带上，这样就实现了TiO2吸收光谱的范围扩大，充分利用了可见光。

通过非金属元素掺杂改性来实现TiO2可见光催化的一个最大的优点是：在拓展TiO2可见光催化活性的同时没有影响到其在紫外光区的催化活性。

金属离子掺杂是用物理或者化学方法将金属离子引入到催化剂晶体内部。

金属离子作为电子的接受体，它能够有效地减少催化剂表面光生电子与空穴的复合；同时金属离子掺杂也可导致半导体产生缺陷，生成的缺陷可成为光生电子的陷阱而延长其寿命，最终提高了催化剂的光催化活性。

以TiO2为例，掺杂的金属离子可以在TiO2晶格中改变结晶度或引入缺陷。

由于金属离子对电子的争夺减少了TiO2表面光生电子和空穴的复合，延长了光生载流子复合的时间，从而达到了提高其光催化活性的目的。

除此之外，由于许多金属离子形成的氧化物具有比TiO2更宽的光吸收范围，可将吸收光进一步延伸到可见光区。

截至目前，集中讨论的金属离子包括碱金属、碱土金属、过渡金属和稀土金属等。

许多过渡金属元素存在多化合价，少量的过渡金属离子掺杂在TiO2中可在催化剂晶格中引入缺陷位置，而这些缺陷又成为了光生电子与空穴对的捕获阱，延长了电子和空穴的复合时间从而提高了TiO2光催化活性。

另外，能级处于TiO2价带和导带之间的过渡金属离子掺杂能降低半导体的禁带值，它不仅可以接受半导体价带上被激发的电子，也可吸收光子使电子跃迁到半导体的导带上，增强对可见光的吸收，从而扩展吸收光谱的范围。

然而，掺杂改性TiO2的光量子效率至今仍比较低，虽然其吸收光谱红移，在可见光激发下具有一定活性，但其降解效率仍然不理想。

这主要是由于过渡金属离子的掺杂虽然可以改善TiO2在可见光下的活性，但所掺杂的金属离子也可能成为光生电子与光生空穴的复合中心，使TiO2在紫外光下的活性下降。

而且金属离子的掺杂量对TiO2的光催化性能也有重要的影响，当掺杂量少时，其在可见光下的活性不高，而掺杂量太高时则甚至会降低其催化活性。

典型的过渡金属离子包括Ni2+、Cr3+、V3+、Mo5+、Nb5+、Fe3+、Cu2+、Mn3+、Co3+等[5, 16, 17]。

除了过渡金属离子的掺杂，由于稀土元素[18]具有丰富的能级和特殊的4f电子跃迁特性，易于产生多电子组态，有特殊的光学性质。

稀土元素离子的半径一般都大于Ti4+，当掺杂离子或它们的氧化态和还原态扩散进入TiO2晶格中时，会引起较。