稀土元素掺杂二氧化钛的制备及其光催化性的研究

王明臣 邹雨彤 曲关瑷

摘 要：传统的二氧化钛材料对太阳能的利用较少，光量子产率很低。针对这几点本次实验通过多种离子掺杂对其进行改性实验。通过前人的研究，我们最终选用稀有金属La、Ce和Y进行掺杂研究，采用溶胶凝胶法合成材料。研究新的掺杂对比之间对提高自身效率、扩大光区和光催化活性有怎样的变化及影响。

关键词：二氧化钛掺杂;稀土元素;光催化

1 引言

二氧化钛的光催化性有着良好的防污自洁、净化空气作用。它通过转化紫外线进行光催化作用达到净化空气的目的;它价格低廉、有氧化还原能力，可以让有害的污染物进行分解氧化，是净化水体中污染物的良好选择。TiO2带隙略宽（Eg=3.2eV），对太阳能的利用不到10%;光生载流子极易复合，导致光量子产率很低;通常的掺杂改性的方法具有工艺复杂，能耗高等问题。

因此TiO2的应用受到许多因素的制约。针对以上缺点本次试验采用稀土元素镧、铈和钇掺杂二氧化钛进行光催化改良，二氧化钛是一种宽禁带半导体，有三种晶体结构板钛矿型结构、锐钛矿型结构和金红石型结构[1]。锐钛矿型结构和金红石型结构是近年来研究比较多的两种晶型。本次实验创新性的采用多种稀土元素镧、铈和钇混合掺杂二氧化钛光催化材料，利用溶胶凝胶法制备材料并研究新的掺杂对比之间对提高自身效率、扩大光区和光催化活性有怎样的变化及影响。

2 发展现状

K.P.Priyanka等[1]人根据溶胶凝胶法将镧混合掺杂制备出TiO2纳米颗粒，镧的混合掺杂使TiO2在低温的条件下可以实现相变的过程，实现TiO2晶体发生A-R相转变的过程。

镧的适当浓度混合掺杂改变它的纳米晶体的结构，提高了光效能的发挥，更大程度的应用于光催化、太阳能电池、光电子学和微电子学。

LenkaMatjovà等[2]人采用溶胶-凝胶法合成铈掺杂锐钛矿/板钛矿复合材料，并将其用于对N2O的光催化分解和对CO2的光催化还原的研究中，最后结果表明铈的掺杂量对复合材料的相组成存在着明显的影响，在铈的含量为5%时，复合材料的光催化性能是最高的。

Niu等[3]通过溶胶凝胶法制备出了一系列具有高光催化活性的纯TiO2和Y3+掺杂TiO2纳米粒子，并通过使用各种分析技术来表现其特征。钇掺杂可以降低晶体尺寸。它会抑制锐钛矿相对金红石相转变，抑制光电子-空穴对的复合。

本次实验主要使用溶胶凝胶法制备掺杂材料，而选用稀有金属La、Ce和Y进行掺杂研究。

3 存在的问题

3.1 溶胶-凝胶掺杂

溶胶-凝胶法是指金属醇盐在醇类的溶剂中溶解，在水解反应作用下失去醇类物质、水分子再缩合聚成溶膠状，再变为固体凝胶状，最后经过陈化、煅烧、烘干成为固体氧化物的方法。

但是在煅烧时溢出的气体很容易导致收缩团聚[4]，希望通过实验能更好地解决。

3.2 稀土离子掺杂

通过一些稀土离子的掺杂实验来证明最佳掺杂量的存在。可以用掺杂后TiO2表面电荷层的厚度来计量金属离子的最佳掺杂量。

原理是当TiO2表面电荷层厚度与光入射深度等量时，利用光的效率最高，那么最佳掺杂量[5]就是此时的金属离子掺杂量。

纳米二氧化钛对离子镉的吸附经过镧、铈和钇掺杂改性后，效果提升明显。这在处理含有镉污染的废水方面会有很大助力。

4 未来展望

掺杂的机理机制尚不明确，有多种可能。但因实验条件和定性研究的方法不一，导致在交流成果和创新方面难以改进，所以在这方面还需加强;

粉末状的二氧化钛催化剂在水处理过程中，可能对不同构型的有机物有着某种特异性的催化功能，所以稀土掺杂的二氧化钛材料在研究其适用范围方面应更加注重;

光催化在光源的选用上有待确定。如果是传统的太阳光需要考虑季节昼夜的因素;如果采用人造光源，则与考虑光强、距离等种种因素。

参考文献：

[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]. 稀土学报（英文版）， 2011，29（3）： 225-229.

[4] 郭凯旋.超声/微波辅助溶胶凝胶法制备TiO2及其性能研究[D]. Gity：中北大学，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.

作者简介：

王明臣（1999- ），汉族，化学（师范）专业。

课题项目：

沈阳师范大学大学生创新创业训练项目（项目编号：201910166228）