TiO2纳米粉体的掺杂改性研究进展

       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。