TiO2納米粉體的摻雜改性研究進(jìn)展

王曉艷 孫波（榆林職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西榆林 719000）

TiO2納米粉體的摻雜改性研究進(jìn)展

王曉艷 孫波（榆林職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西榆林 719000）

TiO2作為一種新型的半導(dǎo)體納米材料，具有廣泛的應(yīng)用前景，但它的禁帶較寬，不吸收可見(jiàn)光，只能吸收波長(zhǎng)較短的紫外線，極大的限制了的它的應(yīng)用范圍，本文主要介紹常用離子摻雜對(duì)TiO2光催化性能的影響。

納米TiO2；摻雜；改性

TiO2成為一種新型的半導(dǎo)體納米材料，它用途非常廣泛、性能優(yōu)良以及具有廣闊的應(yīng)用前景，但是由于納米TiO2粒子的比表面積大，而且配位嚴(yán)重不足，導(dǎo)致它具有極強(qiáng)的表面活性，很容易團(tuán)聚在一起，從而影響實(shí)際它的應(yīng)用效果。研究表明，部分離子的摻雜對(duì)光TiO2催化性能的提高具有一定的作用，現(xiàn)在常見(jiàn)的離子摻雜主要有：非金屬摻雜、金屬摻雜、稀土摻雜等。

1 非金屬摻雜

非金屬元素的摻雜一般認(rèn)為摻雜非金屬元素后，TiO2中形成了氧的空位，非金屬元素取代氧空位，而形成TiO2-xAx晶體，還有一種說(shuō)法就是非金屬元素取代TiO2中的氧，使氧的2p軌道和非金屬的2p軌道混合，從而降低禁帶寬度，來(lái)提高它的光吸收范圍，目前對(duì)于非金屬元素?fù)诫sTiO2納米管方面的研究報(bào)道已有很多。

研究表明C、N、S和鹵素等非金屬元素的摻雜都可以有效提高TiO2的光催化性能，Liu等［1］采用水熱合成法進(jìn)行了S、N共摻雜TiO2，研究發(fā)現(xiàn)S和N離子共摻雜的TiO2光催化活性比單獨(dú)摻雜的TiO2活性明顯提高。

吳俊明等［2］采用用溶膠-凝膠法，對(duì)TiO2進(jìn)行Ce、N單一和共摻雜改性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，摻雜后相比與未摻雜TiO2的催化劑紫外、可見(jiàn)光活性明顯提升。

2 金屬摻雜

研究還發(fā)現(xiàn)，摻雜使TiO2的禁帶變窄，吸收光譜紅移，提高光譜響應(yīng)范圍，這樣的離子有Fe3+，Mn4+，V4+等。

純TiO2是n型半導(dǎo)體，存在氧化晶格空缺，當(dāng)Mo6+取代Ti4+時(shí)，在晶體中就會(huì)產(chǎn)生空缺。Mo6+取代Ti4+后，根據(jù)電荷平衡，電子密度增加。Mo6+是電子供體，費(fèi)米能級(jí)向上移動(dòng)，能帶變窄。

Jeon S等［4］做了21種金屬離子摻雜TiO2的實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)Fe3+，Mo5+，Ru3+，OS3+，Re5+，V4+和Rh3+摻雜可以增強(qiáng)TiO2的光吸收活性。用比Ti4+陽(yáng)離子價(jià)態(tài)高的陽(yáng)離子（如W6+，Ta5+，Nd6+）摻雜TiO2會(huì)增加導(dǎo)帶上的電子濃度，降低功函，費(fèi)米能級(jí)向上移動(dòng)，增加表面勢(shì)壘，過(guò)渡層變窄。

3 稀土摻雜

稀土金屬的電極結(jié)構(gòu)為4f型，沒(méi)有5d電子，這種特殊的電子結(jié)構(gòu)會(huì)引起TiO2晶格的畸變，晶格上的氧易于脫離，很容易形成氧缺位；從而增強(qiáng)催化劑對(duì)反應(yīng)物的吸附能力，增加了TiO2表面吸附的羥基，從而產(chǎn)生羥基自由基；此外，稀土離子引入TiO2晶格后，在TiO2的禁帶中也可引入雜質(zhì)能級(jí)，減小禁帶寬度，進(jìn)而拓寬TiO2的光譜吸收范圍。

薛寒松等［5］采用溶膠-凝膠法制備鑭鈰摻雜的納米TiO2粉體，在不同的溫度下進(jìn)行熱處理，并對(duì)熱處理后的納米TiO2粉體用X射線衍射儀、XRD進(jìn)行表征，結(jié)果表明：稀土鑭鈰摻雜后抑制了TiO2銳鈦礦向金紅石晶相的轉(zhuǎn)變，TiO2的光催化性能得到明顯的提高。

魏志剛等［6］利用密度泛函理論平面波超軟贗勢(shì)方法并選擇GGA水平上的PW91相關(guān)能泛函，對(duì)TiO2在摻雜Gd元素前后的結(jié)構(gòu)、幾能帶結(jié)構(gòu)、態(tài)密度、HOMO和LOMO等進(jìn)行模擬計(jì)算，結(jié)果發(fā)現(xiàn)Gd摻雜對(duì)晶格的對(duì)稱性沒(méi)有影響，但使晶格常數(shù)變大，減小了禁帶寬度，可見(jiàn)光的吸收強(qiáng)度增加，大大的提高了TiO2的光催化效果，

4 結(jié)語(yǔ)

隨著社會(huì)的進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，能源與環(huán)境問(wèn)題越來(lái)越受到關(guān)注，TiO2的光催化技術(shù)的研究也引起了人們的注意，盡管對(duì)納米TiO2進(jìn)行摻雜來(lái)改變它的光催化性能的研究有一定的成果，同時(shí)也推進(jìn)了TiO2的應(yīng)用前景，但是還有許多問(wèn)題有待解決，需要深入研究。

［1］Liu H，Liu G，Zhou Q，eral.PreParation and photocatalytic activity of Gd3+doped triritante nanoutubes［J］.Microp Mesop Ma?ter，2011，142：439-442.

［2］吳俊明，潘湛昌等.Ce及N共摻雜改性TiO2光催化性能及Ce組分的作用［J］.無(wú)機(jī)化學(xué)學(xué)報(bào)，2010，26（2）：203-210.

［3］G Zhu.Preparation and characterization of nitrogen-dopedti?tanium dioxides［J］Sci China Ser B-Chem，2007，50（2）：212-216.

［4］Jeon S.et al.Hydrothermal synthesis of Er-doped lum-ines centTiO2nanoparticles［J］.Chem.Mater，2003，15，1256.

［5］薛寒松等，鈰摻雜二氧化鈦納米管的光催化性能［J］.機(jī)械工程材料，2008，32（6）：36.

［6］魏志鋼等.Gd摻雜銳鈦礦型二氧化鈦的第一性原理研究［J］.材料科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2011，29（2）：217-220.