二氧化钛非金属改性/掺杂研究进展.docx
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1、二氧化钛非金属改性/掺杂研究进展栗净净王超程凤林关键词:二氧化钛;光催化剂;非金属;改性;掺杂20世纪80年代初,光催化剂进入催化领域,相关研究人员开始对二氧化钛光催化剂的作用原理、催化性能、特点进行研究。21世纪以来,地球上的资源被大量消耗,环境污染日益严重。为了使资源与环境之间保持平衡,越来越多的研究者将目光转移到光催化剂上。其中,二氧化新光催化剂备受青睐,凭借对环境友好、耐酸碱性好、光催化性能稳定、化学性质稳定等优点,赢得越来越多研究者的关注。然而,二氧化钛光催化剂具有较大的带隙(3.20eV),并且只能吸收波长入W387nm的紫外光,不能有效利用太阳能,限制了其应用。为了扩大二氧化钛光
2、催化剂的应用范围,研究者采用了掺杂、有机敏化、表面沉积、表面修饰等多种手段。其中,掺杂包括金属掺杂和非金属掺杂。近年来,非金属掺杂成为一个热点,使用的元素有C、N、F等。多种非金属掺杂能提高纳米二氧化钛光催化剂的催化效果。1二氧化钛光催化原理任何物质的性质都与其结构有关,二氧化钛光催化剂也不例外。根据相关理论知识1可知,二氧化钛光催化剂是一种N型半导体材料,包含一个充满电子的低能价带和一个空的高能导带,价带与导带之间的区域就是禁带,此区域大小就是禁带宽度。二氧化钛光催化剂的带隙为3.003.20eV,相当于387nm的光子能量。当小于等于387nm的光照射到二氧化钛光催化剂上时,二氧化钛光催化
3、剂吸收光,电子从低能价带过渡到空的高能导带,产生具有高活性电子的高能导带和空的低能价带,形成电子-空穴对。在纳米二氧化钛半导体光催化反应中,电子具有很强的氧化活性,可以直接氧化有害金属离子。此外,它们一般与吸附在表面的H20和02反应生成羟基自由基和超氧自由基,可将各种有机物质直接氧化成C02和H20等无机小分子物质,如图1所示。2二氧化钛的非金属改性/掺杂根据二氧化钛光催化剂的催化原理可知,单独的二氧化钛光催化剂只能在小于等于387nm的光下具有光催化活性,所以二氧化钛光催化剂的禁带宽度较大,无法在可见光下具有催化活性,而非金属掺杂不但可以减小二氧化钛的能带间隙、拓宽二氧化钛的光催化响应范围
4、,还可以降低载流子复合速率、提高催化性能,并且非金属掺杂比金属离子更稳定,材料来源丰富,价格低廉。近年来,非金属掺杂二氧化钛改性已经成为一个热点,被众多研究者关注。2. 1掺杂非金属掺杂2是指非金属元素进入Ti02光催化剂的晶格中,取代氧形成X-Ti-0-Ti的结构,或者是二氧化钛晶格中形成间隙,在导带和价带之间引入新的杂化态,缩小禁带宽度,使二氧化钛光催化剂在可见光下具有催化活性,提高催化性能。2. 1. 1碳掺杂广秀等3以乙二胺为碳源,采用溶胶-凝胶法制备碳掺杂TiO2光催化剂。根据X射线光电子能谱(X-RayPhotoelectronSpectroscopy, XPS)谱图可知,处于28
5、1. 00eV和282. 30eV的两个峰为碳原子取代二氧化钛光催化剂的晶格形成的Ti0键,处于287. 00eV和288. 90eV的两个峰为热处理时碳原子进入晶格形成的CTiO键(见图2);样品具有两个峰且样品的Ti2p32峰向结合能减小的方向移动(见图3),这是由于碳元素的加入使钛原子附近的电子云密度减小,导致结合能降低,此方法制备的含碳二氧化钛光催化剂正是由于碳原子替代了二氧化钛中的晶格而形成的碳掺杂二氧化钛光催化剂。2.1.2氮掺杂周存等4用溶胶-凝胶法制备氮掺杂Ti02光催化剂。在XPS全光谱中,氮的电子峰出现在400. 65eV处,证实了此方法制备的掺氮二氧化钛光催化剂中确实存在
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