稀土掺杂在光催化中的应用

1、稀土掺杂在光催化中的应用 在众多的半导体材料中，在众多的半导体材料中，TiO2TiO2以其独特的性质和广泛的应用以其独特的性质和广泛的应用受到全世界科学研究者的青睐，一直处于光催化研究中的核受到全世界科学研究者的青睐，一直处于光催化研究中的核心地位。然而，心地位。然而，TiOTiO2 2的光谱吸收范围窄，对光的利用率低以的光谱吸收范围窄，对光的利用率低以及光量子效率低限制了其在实际中的应用。及光量子效率低限制了其在实际中的应用。 为了获得更好的光催化效果，针对为了获得更好的光催化效果，针对TiOTiO2 2的应用局限性，开始的应用局限性，开始对对TiOTiO2 2光催化剂进行改性研究。如提高激

2、发电荷分离，抑制光催化剂进行改性研究。如提高激发电荷分离，抑制载流子复合提高量子效率，拓宽光波吸收范围，改变产物的载流子复合提高量子效率，拓宽光波吸收范围，改变产物的选择性等。选择性等。 改性的方法上，以对改性的方法上，以对TiOTiO2 2进行掺杂改性以提高光催化性能的进行掺杂改性以提高光催化性能的研究居多，通过掺杂金属元素或非金属元素，研究居多，通过掺杂金属元素或非金属元素，TiOTiO2 2的光催化的光催化性能能够得到显著的提高。性能能够得到显著的提高。Introduction 稀土元素具有特殊的电子结构，其内层的 4f 电子被外层的 5s及 5p 电子所屏蔽，在原子中定域。决定元素性质

3、的最外层电子排布 4f 和 5d 形成导带，4f 电子的定域化和不完全填充使稀土具有独特的光学和磁学特性，这些性质使稀土在催化领域中得到广泛应用。 稀土作为催化剂,适用范围很广。几乎涉及所有的催化反应。无论是氧化还原型,还是酸碱性,均相或多相,都充分显示了稀土催化剂性能的多样。 离子掺杂修饰TiO2是以物理或化学的方法将离子引入到TiO2的晶格结构中，改变电荷密度分布，形成缺陷或改变晶格类型，从而影响光生电子空穴的运动状况，调整其分布状态或改变能带结构，最终调变光催化性能。稀土元素因具有丰富的能级、特殊的4f电子跃迁特性和光学性能，不仅能够以离子掺杂或半导体复合的形式有效提升传统TiO2光催化

4、剂的性能，而且可以构造出多种新型的光催化剂体系。 目前，镧系中的多数元素都已被用作掺杂元素进行了研究，结果表明稀土元素掺杂能够影响Ti02的光催化性能。 谷科成等以谷科成等以TNTTNT为降解物研究了镧掺杂纳米为降解物研究了镧掺杂纳米TiO2的光催化活的光催化活性，发现镧的掺杂减小了晶粒尺寸，并使性，发现镧的掺杂减小了晶粒尺寸，并使TiO2的晶型转变温的晶型转变温度升高，其中度升高，其中2( (摩尔分数摩尔分数) )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有机物。有机物。 赵伟伟等以钛酸丁酯为前驱体，采用溶胶一凝胶

5、法制备掺铈赵伟伟等以钛酸丁酯为前驱体，采用溶胶一凝胶法制备掺铈的的TiO2粉末，结果表明，铈的掺杂会造成晶格不同程度的膨粉末，结果表明，铈的掺杂会造成晶格不同程度的膨胀，并影响光催化材料的比表面积，当掺杂量为胀，并影响光催化材料的比表面积，当掺杂量为0.30.3且焙且焙烧温度为烧温度为400400时，紫外光下对甲基橙的降解率最高，时，紫外光下对甲基橙的降解率最高，1h1h能能达到达到9898左右。左右。 郭莉，王丹军等采用溶胶微波法制备掺杂不同稀土元素纳米TiO2光催化剂，以甲基橙为模拟污染物，考察样品的光催化性能；结果表明，适量的La3+,Nd3+,Eu3+,Gd3+和Y3+掺杂可提高TiO

6、2样品的光催化活性,其中掺杂0.1%La3+样品对甲基橙脱色率最高;此外，实验还对共掺杂做了研究，发现在共掺杂TiO2光催化剂中，0.1%La/0.3%Eu/TiO2的催化活性最高。稀土的共掺杂稀土的共掺杂 掺杂改性是掺杂改性是拓宽可见光谱范围拓宽可见光谱范围和和提高量子效率提高量子效率的重要方法，的重要方法，然而研究发现，单元素掺杂往往只能够兼顾到其中的一面，然而研究发现，单元素掺杂往往只能够兼顾到其中的一面，因此，共掺杂得到逐步的发展。因此，共掺杂得到逐步的发展。 选择两种或多种离子对选择两种或多种离子对TiO2TiO2共掺杂改性，期望利用共掺杂离共掺杂改性，期望利用共掺杂离子间的协同作用

7、提供电子和空穴陷阱，抑制电子子间的协同作用提供电子和空穴陷阱，抑制电子- -空穴的复空穴的复合，提高光催化活性；同时，利用各掺杂离子的优势互补来合，提高光催化活性；同时，利用各掺杂离子的优势互补来拓宽拓宽TiO2TiO2的吸收光谱范围，提高其在可见光下的光催化能力的吸收光谱范围，提高其在可见光下的光催化能力。 稀土元素半径较大，易造成晶格畸变，形成氧空位，而金属稀土元素半径较大，易造成晶格畸变，形成氧空位，而金属和稀土元素都可以充当电子或空穴的捕获中心，因此二者的和稀土元素都可以充当电子或空穴的捕获中心，因此二者的协同作用共掺杂协同作用共掺杂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。 王东升等采用溶胶王东升等采用溶胶- -凝胶法制备了凝胶法制备了AgAg和和SmSm共掺杂的共掺杂的TiOTiO2 2，当掺，当掺杂杂1.0%Sm-1.2%Ag(1.0%Sm-1.2%Ag(摩尔分数摩尔分数) )时，产物的光催化效果最佳，时，产物的光催化效果最佳，经经400W400W的高雅汞灯照射的高雅汞灯照射45min45min，对甲基橙的降解率达，对甲基橙的降解率达99.4%99.4%。 非金属元素的掺杂可以在不降低光催化性能的同时增强可见非金属元素的掺杂可以在不降低光催化性能的同时增强可见光响应，而稀土元素可形成捕获中心，影响电子一空穴对的光响应，而稀土元素可形成捕获中

9、心，影响电子一空穴对的复合速率，因此两者协同提高复合速率，因此两者协同提高TiOTiO2 2的光催化效率。的光催化效率。 吴俊明等以钛酸正丁酯、硝酸亚铈及氨水为前驱体，制备吴俊明等以钛酸正丁酯、硝酸亚铈及氨水为前驱体，制备CeCe和和N N元素共掺杂改性元素共掺杂改性TiOTiO2 2，并研究了其光催化活性，发现所制，并研究了其光催化活性，发现所制得的催化剂的紫外和可见光活性都有明显的提升。得的催化剂的紫外和可见光活性都有明显的提升。 郭莉等采用溶胶一微波法成功制备了镧、铈共掺的纳米郭莉等采用溶胶一微波法成功制备了镧、铈共掺的纳米TiOTiO2 2粉末，其在粉末，其在400nm400nm下有连

10、续宽化的吸收带，极大地提高了对下有连续宽化的吸收带，极大地提高了对光吸收的效率，当镧掺杂量为光吸收的效率，当镧掺杂量为2 2、铈掺杂量为、铈掺杂量为0.04%(0.04%(摩尔摩尔分数分数) )时其共掺效果较好，自然光照下时其共掺效果较好，自然光照下15 h15 h后后,COD,COD的去除的去除率能达到率能达到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.王东升;廖运文;何平 双掺杂二氧化钛的制备及其在降解染料废水中的应用J-西华师范大学学报(自然科学版) ，2011,32(02):180-183.吴俊明;王亚平;杨汉培 Ce及N共掺杂改性TiO2光催化性能及Ce组