王明臣 鄒雨彤 曲關(guān)璦

摘 要：傳統(tǒng)的二氧化鈦材料對太陽能的利用較少，光量子產(chǎn)率很低。針對這幾點(diǎn)本次實(shí)驗(yàn)通過多種離子摻雜對其進(jìn)行改性實(shí)驗(yàn)。通過前人的研究，我們最終選用稀有金屬La、Ce和Y進(jìn)行摻雜研究，采用溶膠凝膠法合成材料。研究新的摻雜對比之間對提高自身效率、擴(kuò)大光區(qū)和光催化活性有怎樣的變化及影響。

關(guān)鍵詞：二氧化鈦摻雜;稀土元素;光催化

1 引言

二氧化鈦的光催化性有著良好的防污自潔、凈化空氣作用。它通過轉(zhuǎn)化紫外線進(jìn)行光催化作用達(dá)到凈化空氣的目的;它價格低廉、有氧化還原能力，可以讓有害的污染物進(jìn)行分解氧化，是凈化水體中污染物的良好選擇。TiO2帶隙略寬（Eg=3.2eV），對太陽能的利用不到10%;光生載流子極易復(fù)合，導(dǎo)致光量子產(chǎn)率很低;通常的摻雜改性的方法具有工藝復(fù)雜，能耗高等問題。

因此TiO2的應(yīng)用受到許多因素的制約。針對以上缺點(diǎn)本次試驗(yàn)采用稀土元素鑭、鈰和釔摻雜二氧化鈦進(jìn)行光催化改良，二氧化鈦是一種寬禁帶半導(dǎo)體，有三種晶體結(jié)構(gòu)板鈦礦型結(jié)構(gòu)、銳鈦礦型結(jié)構(gòu)和金紅石型結(jié)構(gòu)[1]。銳鈦礦型結(jié)構(gòu)和金紅石型結(jié)構(gòu)是近年來研究比較多的兩種晶型。本次實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新性的采用多種稀土元素鑭、鈰和釔混合摻雜二氧化鈦光催化材料，利用溶膠凝膠法制備材料并研究新的摻雜對比之間對提高自身效率、擴(kuò)大光區(qū)和光催化活性有怎樣的變化及影響。

2 發(fā)展現(xiàn)狀

K.P.Priyanka等[1]人根據(jù)溶膠凝膠法將鑭混合摻雜制備出TiO2納米顆粒，鑭的混合摻雜使TiO2在低溫的條件下可以實(shí)現(xiàn)相變的過程，實(shí)現(xiàn)TiO2晶體發(fā)生A-R相轉(zhuǎn)變的過程。

鑭的適當(dāng)濃度混合摻雜改變它的納米晶體的結(jié)構(gòu)，提高了光效能的發(fā)揮，更大程度的應(yīng)用于光催化、太陽能電池、光電子學(xué)和微電子學(xué)。

LenkaMatjovà等[2]人采用溶膠-凝膠法合成鈰摻雜銳鈦礦/板鈦礦復(fù)合材料，并將其用于對N2O的光催化分解和對CO2的光催化還原的研究中，最后結(jié)果表明鈰的摻雜量對復(fù)合材料的相組成存在著明顯的影響，在鈰的含量為5%時，復(fù)合材料的光催化性能是最高的。

Niu等[3]通過溶膠凝膠法制備出了一系列具有高光催化活性的純TiO2和Y3+摻雜TiO2納米粒子，并通過使用各種分析技術(shù)來表現(xiàn)其特征。釔摻雜可以降低晶體尺寸。它會抑制銳鈦礦相對金紅石相轉(zhuǎn)變，抑制光電子-空穴對的復(fù)合。

本次實(shí)驗(yàn)主要使用溶膠凝膠法制備摻雜材料，而選用稀有金屬La、Ce和Y進(jìn)行摻雜研究。

3 存在的問題

3.1 溶膠-凝膠摻雜

溶膠-凝膠法是指金屬醇鹽在醇類的溶劑中溶解，在水解反應(yīng)作用下失去醇類物質(zhì)、水分子再縮合聚成溶膠狀，再變?yōu)楣腆w凝膠狀，最后經(jīng)過陳化、煅燒、烘干成為固體氧化物的方法。

但是在煅燒時溢出的氣體很容易導(dǎo)致收縮團(tuán)聚[4]，希望通過實(shí)驗(yàn)?zāi)芨玫亟鉀Q。

3.2 稀土離子摻雜

通過一些稀土離子的摻雜實(shí)驗(yàn)來證明最佳摻雜量的存在。可以用摻雜后TiO2表面電荷層的厚度來計量金屬離子的最佳摻雜量。

原理是當(dāng)TiO2表面電荷層厚度與光入射深度等量時，利用光的效率最高，那么最佳摻雜量[5]就是此時的金屬離子摻雜量。

納米二氧化鈦對離子鎘的吸附經(jīng)過鑭、鈰和釔摻雜改性后，效果提升明顯。這在處理含有鎘污染的廢水方面會有很大助力。

4 未來展望

摻雜的機(jī)理機(jī)制尚不明確，有多種可能。但因?qū)嶒?yàn)條件和定性研究的方法不一，導(dǎo)致在交流成果和創(chuàng)新方面難以改進(jìn)，所以在這方面還需加強(qiáng);

粉末狀的二氧化鈦催化劑在水處理過程中，可能對不同構(gòu)型的有機(jī)物有著某種特異性的催化功能，所以稀土摻雜的二氧化鈦材料在研究其適用范圍方面應(yīng)更加注重;

光催化在光源的選用上有待確定。如果是傳統(tǒng)的太陽光需要考慮季節(jié)晝夜的因素;如果采用人造光源，則與考慮光強(qiáng)、距離等種種因素。

參考文獻(xiàn)：

[1] Priyanka K P， Revathy V R， Rosmin P， et al. Influence of La doping on structural and optical properties of TiO2 nanocrystals[J]. Materials Characterization， 2016， 113：144-151.

[2] LenkaMat jová， Marcel ihor， Jaroslav Lang， et al.? Investigation of low Ce amount doped-TiO2 prepared by using pressurized fluids in photocatalytic N2O decomposition and CO2 reduction[J]. Journal Sol-Gel Science and Technology， 2017，84：158-168.

[3] Niu X， Sujuan L I， Chu H， etal. Preparation， characterization of Y3+-doped TiO2 nanoparticles and their photocatalytic activities for methyl orange degradation[J]. 稀土學(xué)報（英文版）， 2011，29（3）： 225-229.

[4] 郭凱旋.超聲/微波輔助溶膠凝膠法制備TiO2及其性能研究[D]. Gity：中北大學(xué)，2015.

[5] Rampaul A， Parkin I P， ONeill S A， et al. Titania and tungsten doped titania thin films on. glass： active photocatalysts[J]. Polyhedron， 2003， 22：35-44.

作者簡介：

王明臣（1999- ），漢族，化學(xué)（師范）專業(yè)。

課題項目：

沈陽師范大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項目（項目編號：201910166228）