稀土元素摻雜二氧化鈦的制備及其光催化性的研究

王明臣 鄒雨彤 曲關璦

摘 要：傳統的二氧化鈦材料對太陽能的利用較少，光量子產率很低。針對這幾點本次實驗通過多種離子摻雜對其進行改性實驗。通過前人的研究，我們最終選用稀有金屬La、Ce和Y進行摻雜研究，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、擴大光區和光催化活性有怎樣的變化及影響。

關鍵詞：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。它通過轉化紫外線進行光催化作用達到凈化空氣的目的;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%;光生載流子極易復合，導致光量子產率很低;通常的摻雜改性的方法具有工藝復雜，能耗高等問題。

因此TiO2的應用受到許多因素的制約。針對以上缺點本次試驗采用稀土元素鑭、鈰和釔摻雜二氧化鈦進行光催化改良，二氧化鈦是一種寬禁帶半導體，有三種晶體結構板鈦礦型結構、銳鈦礦型結構和金紅石型結構[1]。銳鈦礦型結構和金紅石型結構是近年來研究比較多的兩種晶型。本次實驗創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、擴大光區和光催化活性有怎樣的變化及影響。

2 發展現狀

K.P.Priyanka等[1]人根據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現相變的過程，實現TiO2晶體發生A-R相轉變的過程。

鑭的適當濃度混合摻雜改變它的納米晶體的結構，提高了光效能的發揮，更大程度的應用于光催化、太陽能電池、光電子學和微電子學。

LenkaMatjovà等[2]人采用溶膠-凝膠法合成鈰摻雜銳鈦礦/板鈦礦復合材料，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，最后結果表明鈰的摻雜量對復合材料的相組成存在著明顯的影響，在鈰的含量為5%時，復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來表現其特征。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變，抑制光電子-空穴對的復合。

本次實驗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，在水解反應作用下失去醇類物質、水分子再縮合聚成溶膠狀，再變為固體凝膠狀，最后經過陳化、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致收縮團聚[4]，希望通過實驗能更好地解決。

3.2 稀土離子摻雜

通過一些稀土離子的摻雜實驗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

摻雜的機理機制尚不明確，有多種可能。但因實驗條件和定性研究的方法不一，導致在交流成果和創新方面難以改進，所以在這方面還需加強;

粉末狀的二氧化鈦催化劑在水處理過程中，可能對不同構型的有機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更加注重;

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

參考文獻：

[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，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（師范）專業。

課題項目：

沈陽師范大學大學生創新創業訓練項目（項目編號：201910166228）