鐵摻雜二氧化鈦光催化劑的性能研究

劉振興

（陜西國防工業職業技術學院，陜西西安710300）

隨著社會的不斷發展和進步，環境污染以及能源危機問題也越來越嚴峻了，為了更好地解決環境和能源問題，人們在不斷的研究中發現半導體光催化技術是解決該問題的有效契機。二氧化鈦在應用過程中具有光催化活性高、化學穩定性好、清潔無毒、成本低等優點，在光催化劑中應用比較好。但是，其在進行光催化時，其禁帶寬度比較寬，只能夠吸收波長為387nm的光，應用范圍和規模被抑制，同時，其在紫外光照下產生的光生電子-空穴，也會對其性能產生影響。而通過對其進行改性，如離子摻雜、貴金屬沉積、半導體耦合等方式則能夠解決其應用不佳的問題。下面，筆者將以鐵摻雜二氧化鈦光催化劑為例進行探究，以求更好的對相關問題進行分析。

1 摻雜研究實驗

1.1 實驗樣品的制備

在對鐵摻雜二氧化鈦光催化劑的性能進行研究時，其是通過相關的實驗進行的。首先在研究過程中需要實驗樣品的制備工作。工作人員首先需要準備好蒸餾水、燒杯、攪拌棒、鈦酸四丁酯以及自制抑制劑等物品。在燒杯中的水60℃左右時，將一定量的鈦酸四丁酯及自制抑制劑倒入到盛有蒸餾水的燒杯中使用攪拌棒進行快速攪拌，進而形成溶液A，之后再稱取一定量的Fe（NO2）9H2O將其溶于5 ml左右的蒸餾水中形成溶液B，其PH值在2-3之間，繼續攪拌溶液B5-10個小時直到其形成透明清亮的淡黃色溶液，將溶液采取一定措施進行陳化、干燥和熱處理、冷卻之后進行研磨就能夠得到摻雜有鐵的二氧化鈦粉末。

1.2 性能表征

在對其性能表征進行研究時，采用日本TTRⅢ型轉靶X射線衍射儀對所得到的樣品進行物相分析，采用UV-2401PC型分光光度計測定樣品的紫外-可見漫反射光譜；采用FL4500型熒光光度計測定樣品的熒光光譜，采用納米粒度分析儀表征樣品的平均顆粒粒度。[1]

1.3 光催化性能檢測

光催化性能檢測主要是通過采亞甲基藍（MB）作為目標降解物進行分析測算得到的。在實驗過程中，選取約2ml左右摻雜鐵的二氧化鈦樣品，將樣品加入到相應的采亞甲基藍溶液中，攪拌溶液30分分鐘之后，樣品能夠迅速的實現吸附-脫附平衡，在其吸附-脫附平衡之后，將其放置在30瓦的日光燈下進行照射，觀察其反應，照射過程中每隔1個小時取部分樣品對其產生變化進行分析，并使用相關的公式測算降解率。

2 結果與討論

2.1 XRD表征

據相關研究結果表明，在二氧化鈦的特征射峰中，并沒有明確的顯示鐵或者是鐵的氧化物的峰，這可能是因為Fe3+與Ti3+的離子半徑較為接近，Fe3+完全融入到二氧化鈦晶格中取代了Ti3+，從而使得其均勻的分布在晶格中，也可能是因為摻雜量過少，導致在對鐵離子進行檢測時無法對其進行有效的檢測，這樣情況一般不具有研究價值，出現機率也比較少。而在對樣品進行熱處理時，則發現不同溫度變化對于樣品的作用也是不同的，如當熱處理溫度在300℃左右時，樣品基本上都為銳鈦礦相，衍射峰的走向呈現出比較尖銳的趨勢，樣品結晶品相比較好，其晶粒的尺寸相對來說比較?。坏窃跓崽幚淼臏囟葹?00℃時，開始出現金紅石相，晶體結構狀態不穩定，在對其原因進行分析時，人們普遍認為出現這種情況只要是鐵離子摻雜到二氧化鈦中，經過熱處理之后其內部晶粒尺寸在高溫下發生了變化，尺寸在不斷的縮小，使得原本的銳鈦礦相轉化為金紅石相。在熱處理溫度為400℃時，樣品雖然開始朝著金紅石相轉變，但是，其量不是很多，而隨著熱處理溫度的不斷升高，樣品內部晶體結構也在不斷變化，金紅石相的含量不斷增加。最終，在熱處理溫度為600℃時，所有樣品均由銳鈦礦相轉變為金紅石相。

2.2 熒光光譜

熒光光譜也是反映二氧化鈦催化劑性能變化的重要依據，一般來說，熒光光譜亮度的變化與鐵摻雜二氧化鈦光催化劑之后其性能變化有著較為直接的關心。在研究中發現，當熒光光譜的亮度減弱時，就是鐵摻雜數量最少的時候，在這個階段，由于鐵離子的數量比較少，因此其所能夠捕獲的電子數量也不是很多，電子和空穴因此無法進行有效的分離，其催化性能所受到的影響并不是很大。而在熒光光譜亮度變強時，則說明鐵的摻雜量比較多，其所能夠捕獲的電子數量也相對的增加，電子和空穴得以更好的進行分離，光催化性能因此而出現較大的變化。

2.3 光催化性能

如上文所述，在對樣品進行熱處理時，溫度為300℃時樣品全部為銳鈦礦相，而溫度為600℃時則全部轉變為金紅石相，因此，在熱處理溫度為300-600℃這個區間時，銳鈦礦相與金紅石相一直是處于共存狀態的，而在這個階段電子與空穴之間復合的機率是最低的，因為銳鈦礦相與金紅石相屬于不同的種類，銳鈦礦相所產生的空穴無法與金紅石相的電子進行融合，這樣也很難使之復合。而熱處理溫度的升高，使得所有樣品都轉化為結構不是十分穩定的金紅石相，電荷分離速度更快，這樣也就有效的提升了光催化劑的催化性能。但是需要注意的是在二氧化鈦催化劑中摻雜鐵離子要注意控制好量，量多或者是量少，都可能導致其無法有效的滲入到二氧化鈦晶格中，無法有效的提高光催化劑催化性能。

3 結論

在通過溶膠-凝膠法將鐵摻雜到二氧化鈦光催化劑中后，鐵的摻入有效地降低了光生電子-空穴對的負荷，使得其吸收光譜波長得以延伸，不僅有效的提高了光催化活性，而且其對可見光的吸收也有一定的幫助，提高了二氧化鈦的性能，對于相關工作的開展具有一定的幫助。