综述掺杂改性纳米TiO2光催化性能的方法.doc

综述掺杂改性纳米TiO2光催化性能的方法
摘要:二氧化钛作为一种光催化材料,在净化污染和保护环境方面被认为是最有潜力的一种材料。其光催化性能已得到了广泛的研究,目前已经在光电性能和光催化净化环境方面开发了很多实际的应用。而通过对二氧化钛纳米颗粒进行金属掺杂改性和非金属掺杂改性可以提高二氧化钛的光催化性能,使其满足现代生活中各种不同的需求。
关键词:二氧化钛光催化掺杂
Abstract:As a promising photocatalyst, TiO2 materials are expected to play an important role in helping solve some serious environmental and pollution problems. Enormous efforts have been devoted to the research of TiO2 material, which have led to many promising applications in areas photovoltaics and photocatalysis. By the modification of TiO2, such as doping with nonmetal or metal atoms, it is possible to facilitate the photocatalytic activity of TiO2 and further improvement of current and practical TiO2 nanotechnology.
Keywords:TiO2 photocatalytic doped

在二十世纪早期,二氧化钛就已经被广泛应用于颜料、防晒霜、涂料、药膏、牙膏等领域中,而自从1972年Fujishima发现二氧化钛电极在紫外光照射下可以光解水制氢以来,二氧化钛的光催化性能得到了广泛的研究,目前已经在光电性能和光催化净化环境方面开发了很多实际的应用。作为一种光催化材料,二氧化钛在净化污染和保护环境方面被认为是最有潜力的一种材料,众所周知二氧化钛的量子产率是由光致电子与空穴的产生与复合决定的,而二氧化钛的颗粒大小与几何结构则会直接影响光致电子与空穴的运动变化,具有较小的晶粒大小一般来说会提高二氧化钛的光学性能。因此,通过制备均匀细小的二氧化钛纳米颗粒以及对二氧化钛进行改性如:掺杂、半导体复合、表面贵金属修饰和有机染料敏化等方法,都可以提高二氧化钛的光催化性能,使其满足现代生活中各种不同的需求。本文将重点介绍通过掺杂的方法对二氧化钛纳米颗粒进行改性。

任何物质的光学响应很大程度上都是由它的基本电子结构来决定的,对纳米尺寸的材料来说,一种物质的电子性能与它的化学构成(原子或者离子间键的化学性质)、原子排列和物理维度(载流子限度)紧密相联。TiO2的化学组分可以通过掺杂来改变,那就是,为了改变物质的光学性能,金属(Ti)或者非金属(O)的组成可以被替代,希望可以既保持原催化剂的完整晶体结构,又可以在电子结构上产生有利于活性的改变。由于电荷状态与离子半径的不同,将TiO2中的Ti4+离子用别的金属离子替换比较容易,而将O2-替换成别的非金属离子比较困难。纳米颗粒较小的尺寸特点有利于二氧化钛化学组分的改变,这是由于在纳米材料中固有的晶格应变使结构扭曲程度比较大造成的。

金属离子掺杂是利用物理或化学方法,将金属离子引入到TiO2晶格结构内部,从而在其晶格中引入新电荷、形成缺陷或改变晶格类型,影响光生电子和空穴的运动状况、调整其分布状态或者改变TiO2的能带结构,最终导致TiO2的光催化活性发生改变。合理的金属离子掺杂可使TiO2吸光波长发生红移、光吸收能力提高、TiO2表面对目标反应物的吸收增加、电子和空穴复合率降低,从而提高TiO2的光催化性能。
由各种金属掺杂的二氧化钛已经用各种方法制备出,合成金属掺杂二氧化钛的方法主要有三种类型:湿法化学合成法、高温反应法、以及对二氧化钛纳米材料进行离子注入法。湿法化学合成法通常是将钛的前驱体与水或者别的溶剂混合后进行加热反应。Choi等人[1]用溶胶凝胶法合成了21种金属掺杂的二氧化钛,并且对每种金属掺杂的二氧化钛进行了系统研究,发现金属掺杂可以明显改变二氧化钛的光学反应、电荷复合速率以及介面电子传播速率。Nagaveni等人[2]用溶液氧化法合成了W、V、Ce、Zr、Fe和Cu离子掺杂的锐钛矿型二氧化钛并且发现固溶体的生成只限制在掺杂离子浓度很小的范围内。Wang等人[3]用水热法合成了Nd3+掺杂二氧化钛和Fe(III)掺杂二氧化钛,并且发现只有在