关于TiO2复合的原理和掺杂的原理

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1、TiO2复合对TiO2的复合一般可分为半导体复合，表面光敏化和贵金属沉积三种类型。复合作用能实现对TiO2中光生电子-空穴的分离，同时复合物也增加对可见光的吸收。(1)半导体复合将TiO2与其它能带结构不同的半导体进行复合，称为半导体复合。将TiO2与其它半导体复合，当两者Eg匹配时，可以有效促进TiO2和半导体化合物中光生电子-空穴的分离，如图1-14所示[27]。复合半导体又可分为宽带隙复合和窄带隙复合，宽带隙复合是为了促使光催化剂的光生载流子的有效分离，从而抑制电子空穴的复合，提高光催化效率。窄带隙复合在抑制电子空穴复

2、合的同时，也可拓展光催化剂对光的响应，最终提高了光的利用效率宽带隙复合是用与TiO2的Eg相当的半导体对其进行修饰，两者的带隙可以相同，但两者的导带价带的位置不能相同，这样才能使电子和空穴存在于复合半导体不同的相中。窄带隙复合是指用Eg小于TiO2的半导体对其进行修饰。窄带隙复合可以有效扩展了光催化剂对光的响应，同时也抑制了电子空穴的复合。其中CdS修饰TiO2是最典型的例子图1-4半导体/TiO2复合体系载流子迁移示意图[27]Fig.1-4Schematicdiagramofthesemiconductor/TiO2ch

3、argetransportation[27](2)表面光敏化表面光敏化一般是指在TiO2的表面，以物理吸附或化学吸附的方式，将具有可见光活性的有机化合物复合在其表面。图1-15为染料光敏化TiO2的原理[27]。有机染料在可见光的激发下，VB电子跃迁至CB。图1-5TiO2表面光敏化示意图[27]Fig.1-5SchematicdiagramoftheTiO2photosensitization[27](1)表面贵金属沉积贵金属沉积一般是指在TiO2的表面沉积某种贵金属形成纳米级的量子点，以改变体系中的电子分布结构，从而增强

4、TiO2的光催化活性。图1-16是TiO2表面沉积贵金属的示意图[27]。一般来说，贵金属的费米能级较低，光生电子会从费米能级较高的TiO2迁移到贵金属表面，直至二者能级平衡，形成肖特基势垒（schotky）来捕获电子，从而分离光生电子-空穴，进而提高TiO2的光催化效率。图1-6贵金属沉积体系载流子运输示意图[27]Fig.1-6Schematicdiagramofnoblemetaldepositchargetransportation[27]1.2.2.2TiO2掺杂TiO2由于禁带宽度的限制，对可见光没有吸收，严重影

5、响了对太阳光的利用。研究者尝试通过掺杂各种金属、非金属元素以减小TiO2的禁带宽度，增加可见光吸收：(1)金属掺杂TiO2的研究现状与进展早在1994年，Hoffmann等[28]系统进行了TiO2的金属掺杂研究，实验研究了21种金属掺杂对TiO2的光电化学活性、光生载流子复合效率、以及电子在界面上传输速率的影响。结果发现掺杂元素为Ru3+、Os3+、Fe3+、Mo5+、V4+、Rh3+、Re5+并且掺杂量在0.1-0.5%时能显著增强TiO2的光催化活性，而掺杂Co3+和Al3+则会降低其光催化活性。Wang等[29]在水

6、热法中控制Fe3+掺杂量，特定合成条件下Fe3+能在TiO2中均匀分布，并且其电学特征呈现典型的p-n节特征，而掺杂元素为Zn2+、Cd2+、La3+、Nd3+、Sm3+、Co2+、Pr3+、Eu3+、Cr3+时掺杂物变成N型半导体[30]。图1-7Cr掺杂TiO2吸收光谱[31]Fig.1-7TheabsorptionspectrumofCrdopedTiO2[31](2)非金属掺杂TiO2的研究现状与进展2001年Asahi等[32]首次进行了非金属元素掺杂TiO2光催化改性的研究。作者认为，非金属掺杂使得TiO2具有可

7、见光催化活性的条件为：(1)掺杂元素可以在TiO2的带隙中形成新的能级以便吸收可见光；(2)CB最小能级(conductionbandminimum，CBM)高于TiO2的CBM，即高于H2/H2O电位，从而保证其光还原活性；(3)掺杂形成的带隙能级能够与TiO2能级重叠，从而保证光生载流子能够在其中迁移到达催化剂表面的活性位置。研究表明，N元素掺杂是最有效的。Asahi的工作开创了国内外对非金属元素掺杂改性研究的先河。(i)N掺杂TiO2N掺杂TiO2的制备方法主要包括：溶胶-凝胶法[33]、NH3气氛下高温热处理[34-

8、37]、磁控溅射法[38]、水热法[39]、溶剂热法[40,41]、液相法[42,43]和TiNx氧化法[44]等。N元素在TiO2中的掺杂形态一般可分为取代型和间隙型两种，如图1-18所示[45]。取代型N掺杂是指N原子取代了TiO2晶格中O的位置，与周围的Ti原子之间成Ti-N键，因此