TiO2纳米粉体的掺杂改性研究进展

2016-05-27 14:32:37 防雾剂,织物疏水疏油整理剂 阅读

       TiO2成为一种新型的半导体纳米材料,它用途非常广泛、性能优良以及具有广阔的应用前景,但是由于纳米TiO2粒子的比表面积大,而且配位严重不足,导致它具有极强的表面活性,很容易团聚在一起,从而影响实际它的应用效果。研究表明,部分离子的掺杂对光TiO2催化性能的提高具有一定的作用,现在常见的离子掺杂主要有:非金属掺杂、金属掺杂、稀土掺杂等。

1  非金属掺杂

       非金属元素的掺杂一般认为掺杂非金属元素后,TiO2中形成了氧的空位,非金属元素取代氧空位,而形成TiO2-xAx晶体,还有一种说法就是非金属元素取代T1O2中的氧,使氧的2p轨道和非金属的2p轨道混合,从而降低禁带宽度,来提高它的光吸收范围,目前对于非金属元素掺杂TiO2纳米管方面的研究报道已有很多。

       研究表明C、N、S和卤素等非金属元素的掺杂都可以有效提高TiO2的光催化性能,Liu等采用水热合成法进行了S、N共掺杂TiO2,研究发现S和N离子共掺杂的TiO2光催化活性比单独掺杂的TiO2活性明显提高。

       吴俊明等采用用溶胶-凝胶法,对TiO2进行Ce、N单一和共掺杂改性,实验结果表明,掺杂后相比与未掺杂TiO2的催化剂紫外、可见光活性明显提升。

2  金属掺杂

       研究还发现,掺杂使TiO2的禁带变窄,吸收光谱红移,提高光谱响应范围,这样的离子有Fe3+,Mn4+,V4+等。

       纯TiO2是n型半导体,存在氧化品格空缺,当Mo6+取代Ti4+时,在晶体中就会产生空缺。Mo6+取代Ti4+后,根据电荷平衡,电子密度增加。Mo6+是电子供体,费米能级向上移动,能带变窄。

       Jeon S等做了21种金属离子掺杂TiO2的实验,发现Fe3+,Mo3+,Ru3+,OS3+,Re5+,V4+和Rh3+掺杂可以增强TiO2的光吸收活性。用比Ti4+阳离子价态高的阳离子(如W6+,Ta5+,Nd6+)掺杂TiO2会增加导带上的电子浓度,降低功函,费米能级向上移动,增加表面势垒,过渡层变窄。

3  稀土掺杂   

       稀土金属的电极结构为4f型,没有Sd电子,这种特殊的电子结构会引起TiO2品格的畸变,品格上的氧易于脱离,很容易形成氧缺位;从而增强催化剂对反应物的吸附能力,增加了TiO2表面吸附的羟基,从而产生羟基自由基;此外,稀土离子引入TiO2品格后,在TiO2的禁带中也可引入杂质能级,减小禁带宽度,进而拓宽TiO2的光谱吸收范围。   

       薛寒松等采用溶胶-凝胶法制备镧铈掺杂的纳米TiO2粉体,在不同的温度下进行热处理,并对热处理后的纳米TiO2粉体用X射线衍射仪、XRD进行表征,结果表明:稀土镧铈掺杂后抑制了TiO2锐钛矿向金红石晶相的转变,TiO2的光催化性能得到明显的提高。   

       魏志刚等利用密度泛函理论平面波超软赝势方法并选择GGA水平上的PW91相关能泛函, 对TiO2在掺杂Gd元素前后的结构、几能带结构、态密度、HOMO和LOMO等进行模拟计算,结果发现Gd掺杂对晶格的对称性没有影响,但使晶格常数变大,减小了禁带宽度,可见光的吸收强度增加,大大的提高了TiO2的光催化效果,

4   结语

    随着社会的进步和经济的发展,能源与环境问题越来越受到关注,TiO2的光催化技术的研究也引起了人们的注意,尽管对纳米TiO2进行掺杂来改变它的光催化性能的研究有一定的成果,同时也推进了TiO2的应用前景,但是还有许多问题有待解决。



标签:   纳米材料 TiO2 光催化性能