稀土摻雜在光催化中的應用

1、稀土摻雜在光催化中的應用 在眾多的半導體材料中，在眾多的半導體材料中，TiO2TiO2以其獨特的性質(zhì)和廣泛的應用以其獨特的性質(zhì)和廣泛的應用受到全世界科學研究者的青睞，一直處于光催化研究中的核受到全世界科學研究者的青睞，一直處于光催化研究中的核心地位。然而，心地位。然而，TiOTiO2 2的光譜吸收范圍窄，對光的利用率低以的光譜吸收范圍窄，對光的利用率低以及光量子效率低限制了其在實際中的應用。及光量子效率低限制了其在實際中的應用。 為了獲得更好的光催化效果，針對為了獲得更好的光催化效果，針對TiOTiO2 2的應用局限性，開始的應用局限性，開始對對TiOTiO2 2光催化劑進行改性研究。如提高激

2、發(fā)電荷分離，抑制光催化劑進行改性研究。如提高激發(fā)電荷分離，抑制載流子復合提高量子效率，拓寬光波吸收范圍，改變產(chǎn)物的載流子復合提高量子效率，拓寬光波吸收范圍，改變產(chǎn)物的選擇性等。選擇性等。 改性的方法上，以對改性的方法上，以對TiOTiO2 2進行摻雜改性以提高光催化性能的進行摻雜改性以提高光催化性能的研究居多，通過摻雜金屬元素或非金屬元素，研究居多，通過摻雜金屬元素或非金屬元素，TiOTiO2 2的光催化的光催化性能能夠得到顯著的提高。性能能夠得到顯著的提高。Introduction 稀土元素具有特殊的電子結(jié)構(gòu)，其內(nèi)層的 4f 電子被外層的 5s及 5p 電子所屏蔽，在原子中定域。決定元素性質(zhì)

3、的最外層電子排布 4f 和 5d 形成導帶，4f 電子的定域化和不完全填充使稀土具有獨特的光學和磁學特性，這些性質(zhì)使稀土在催化領域中得到廣泛應用。 稀土作為催化劑,適用范圍很廣。幾乎涉及所有的催化反應。無論是氧化還原型,還是酸堿性,均相或多相,都充分顯示了稀土催化劑性能的多樣。 離子摻雜修飾TiO2是以物理或化學的方法將離子引入到TiO2的晶格結(jié)構(gòu)中，改變電荷密度分布，形成缺陷或改變晶格類型，從而影響光生電子空穴的運動狀況，調(diào)整其分布狀態(tài)或改變能帶結(jié)構(gòu)，最終調(diào)變光催化性能。稀土元素因具有豐富的能級、特殊的4f電子躍遷特性和光學性能，不僅能夠以離子摻雜或半導體復合的形式有效提升傳統(tǒng)TiO2光催化

4、劑的性能，而且可以構(gòu)造出多種新型的光催化劑體系。 目前，鑭系中的多數(shù)元素都已被用作摻雜元素進行了研究，結(jié)果表明稀土元素摻雜能夠影響Ti02的光催化性能。 谷科成等以谷科成等以TNTTNT為降解物研究了鑭摻雜納米為降解物研究了鑭摻雜納米TiO2的光催化活的光催化活性，發(fā)現(xiàn)鑭的摻雜減小了晶粒尺寸，并使性，發(fā)現(xiàn)鑭的摻雜減小了晶粒尺寸，并使TiO2的晶型轉(zhuǎn)變溫的晶型轉(zhuǎn)變溫度升高，其中度升高，其中2( (摩爾分數(shù)摩爾分數(shù)) )LaTiO2的光催化效果最好，的光催化效果最好，紫外光下照射紫外光下照射30 min能去除能去除76.8的的TNTTNT有機物。有機物。 趙偉偉等以鈦酸丁酯為前驅(qū)體，采用溶膠一凝膠

5、法制備摻鈰趙偉偉等以鈦酸丁酯為前驅(qū)體，采用溶膠一凝膠法制備摻鈰的的TiO2粉末，結(jié)果表明，鈰的摻雜會造成晶格不同程度的膨粉末，結(jié)果表明，鈰的摻雜會造成晶格不同程度的膨脹，并影響光催化材料的比表面積，當摻雜量為脹，并影響光催化材料的比表面積，當摻雜量為0.30.3且焙且焙燒溫度為燒溫度為400400時，紫外光下對甲基橙的降解率最高，時，紫外光下對甲基橙的降解率最高，1h1h能能達到達到9898左右。左右。 郭莉，王丹軍等采用溶膠微波法制備摻雜不同稀土元素納米TiO2光催化劑，以甲基橙為模擬污染物，考察樣品的光催化性能；結(jié)果表明，適量的La3+,Nd3+,Eu3+,Gd3+和Y3+摻雜可提高TiO

6、2樣品的光催化活性,其中摻雜0.1%La3+樣品對甲基橙脫色率最高;此外，實驗還對共摻雜做了研究，發(fā)現(xiàn)在共摻雜TiO2光催化劑中，0.1%La/0.3%Eu/TiO2的催化活性最高。稀土的共摻雜稀土的共摻雜 摻雜改性是摻雜改性是拓寬可見光譜范圍拓寬可見光譜范圍和和提高量子效率提高量子效率的重要方法，的重要方法，然而研究發(fā)現(xiàn)，單元素摻雜往往只能夠兼顧到其中的一面，然而研究發(fā)現(xiàn)，單元素摻雜往往只能夠兼顧到其中的一面，因此，共摻雜得到逐步的發(fā)展。因此，共摻雜得到逐步的發(fā)展。 選擇兩種或多種離子對選擇兩種或多種離子對TiO2TiO2共摻雜改性，期望利用共摻雜離共摻雜改性，期望利用共摻雜離子間的協(xié)同作用

7、提供電子和空穴陷阱，抑制電子子間的協(xié)同作用提供電子和空穴陷阱，抑制電子- -空穴的復空穴的復合，提高光催化活性；同時，利用各摻雜離子的優(yōu)勢互補來合，提高光催化活性；同時，利用各摻雜離子的優(yōu)勢互補來拓寬拓寬TiO2TiO2的吸收光譜范圍，提高其在可見光下的光催化能力的吸收光譜范圍，提高其在可見光下的光催化能力。 稀土元素半徑較大，易造成晶格畸變，形成氧空位，而金屬稀土元素半徑較大，易造成晶格畸變，形成氧空位，而金屬和稀土元素都可以充當電子或空穴的捕獲中心，因此二者的和稀土元素都可以充當電子或空穴的捕獲中心，因此二者的協(xié)同作用共摻雜協(xié)同作用共摻雜TiOTiO2 2，有助于提高其光催化性能。，有助于

8、提高其光催化性能。 王東升等采用溶膠王東升等采用溶膠- -凝膠法制備了凝膠法制備了AgAg和和SmSm共摻雜的共摻雜的TiOTiO2 2，當摻，當摻雜雜1.0%Sm-1.2%Ag(1.0%Sm-1.2%Ag(摩爾分數(shù)摩爾分數(shù)) )時，產(chǎn)物的光催化效果最佳，時，產(chǎn)物的光催化效果最佳，經(jīng)經(jīng)400W400W的高雅汞燈照射的高雅汞燈照射45min45min，對甲基橙的降解率達，對甲基橙的降解率達99.4%99.4%。 非金屬元素的摻雜可以在不降低光催化性能的同時增強可見非金屬元素的摻雜可以在不降低光催化性能的同時增強可見光響應，而稀土元素可形成捕獲中心，影響電子一空穴對的光響應，而稀土元素可形成捕獲中

9、心，影響電子一空穴對的復合速率，因此兩者協(xié)同提高復合速率，因此兩者協(xié)同提高TiOTiO2 2的光催化效率。的光催化效率。 吳俊明等以鈦酸正丁酯、硝酸亞鈰及氨水為前驅(qū)體，制備吳俊明等以鈦酸正丁酯、硝酸亞鈰及氨水為前驅(qū)體，制備CeCe和和N N元素共摻雜改性元素共摻雜改性TiOTiO2 2，并研究了其光催化活性，發(fā)現(xiàn)所制，并研究了其光催化活性，發(fā)現(xiàn)所制得的催化劑的紫外和可見光活性都有明顯的提升。得的催化劑的紫外和可見光活性都有明顯的提升。 郭莉等采用溶膠一微波法成功制備了鑭、鈰共摻的納米郭莉等采用溶膠一微波法成功制備了鑭、鈰共摻的納米TiOTiO2 2粉末，其在粉末，其在400nm400nm下有連

10、續(xù)寬化的吸收帶，極大地提高了對下有連續(xù)寬化的吸收帶，極大地提高了對光吸收的效率，當鑭摻雜量為光吸收的效率，當鑭摻雜量為2 2、鈰摻雜量為、鈰摻雜量為0.04%(0.04%(摩爾摩爾分數(shù)分數(shù)) )時其共摻效果較好，自然光照下時其共摻效果較好，自然光照下15 h15 h后后,COD,COD的去除的去除率能達到率能達到86861111。Hangyan S.Bin G et a1Effect of chloride doping concentration on enhancement of protonic conductivity of mesoporous A12O3JSolid State I

11、onics，2011,192:105.Matsui T,Muroyama H,et al. Development of novel proton conductors consisting of solid acid/pyrophosphte composite for intermediate-temperature fule cellsJ.J Jpn Petrol Inst,2010,53(1):1.王東升;廖運文;何平 雙摻雜二氧化鈦的制備及其在降解染料廢水中的應用J-西華師范大學學報(自然科學版) ，2011,32(02):180-183.吳俊明;王亞平;楊漢培 Ce及N共摻雜改性TiO2光催化性能及Ce組