金属掺杂TiO2催化.ppt

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1、金属掺杂TiO2催化金属掺杂的方式有三种，(1)金属原子取代 TiO2中的钛原子。(2)金属氧化物堆积在 TiO2晶粒周围。(3)金属原子沉积在 TiO2的表面。掺杂用的金属一般有过渡金属、贵金属及稀土金属。掺杂后的 TiO2光催化性能、光电性都有改变。类型1：过渡金属掺杂 TiO2“”掺杂原理掺杂原理：过渡金属大多呈现多种价态，其中过渡金属大多呈现多种价态，其中 d 轨道电子的存在会对轨道电子的存在会对 TiO2的光催化活性产生影响。过的光催化活性产生影响。过渡金属离子的掺杂主要产生以下渡金属离子的掺杂主要产生以下 3 种作用：种作用：(1)金属离金属离子掺杂后子掺杂后,若是取代若是取代Ti

2、4+的位置，便会在的位置，便会在TiO2禁带中引禁带中引人新的杂质能级人新的杂质能级,从而使其禁带宽度相对变窄，从而使其禁带宽度相对变窄，使使 TiO2的吸收波长向可见光区拓展；的吸收波长向可见光区拓展；(2)若是金属离子堆若是金属离子堆积在积在TiO2晶粒表面，则激发半导体产生电子和空穴；晶粒表面，则激发半导体产生电子和空穴；(3)掺杂的金属离子若是沉积在掺杂的金属离子若是沉积在TiO2表面，金属离子和表面，金属离子和其少量的氧化物则成为电子和空穴的浅势捕陷阱有效抑其少量的氧化物则成为电子和空穴的浅势捕陷阱有效抑制光生电子和空穴的复合。（制光生电子和空穴的复合。（4）光生电子）光生电子-空穴

3、对所带空穴对所带电荷较强电荷较强,难以通过表面电荷区进入到溶液中进行反应难以通过表面电荷区进入到溶液中进行反应,要求反应物预先吸附在催化剂表面要求反应物预先吸附在催化剂表面,因而通过过渡金属因而通过过渡金属掺杂掺杂,改善其对反应物的吸附性能也是光催化性能增强改善其对反应物的吸附性能也是光催化性能增强的原因之一。的原因之一。影响因素LOREMTiO2TiO2中掺杂不同的金属离子中掺杂不同的金属离子,引起的变化是不一引起的变化是不一样的并不是所有的金属离子掺杂都会增高样的并不是所有的金属离子掺杂都会增高TIO的的催化性能催化性能,只有掺杂特定的金属离子才有助于提只有掺杂特定的金属离子才有助于提高高

4、TIO的光量子效率。大量研究表明的光量子效率。大量研究表明,金属离子掺金属离子掺杂杂TIO的光催化活性受诸多因素的影响的光催化活性受诸多因素的影响,比如掺杂比如掺杂金属离子的浓度、价态、半径、能级位置及金属离子的浓度、价态、半径、能级位置及d电电子构型等。比如催化剂制备时烧结温度，时间等。子构型等。比如催化剂制备时烧结温度，时间等。当掺杂量较小时当掺杂量较小时,捕获电子捕获电子-空穴的浅势阱数空穴的浅势阱数量不多量不多,光生电子光生电子-空穴不能有效分空穴不能有效分离离;掺杂量过高时掺杂量过高时,捕获位间平均距离降低捕获位间平均距离降低,从而增从而增大了电子与空穴的复合几率大了电子与空穴的复合

5、几率.掺杂过渡金属量有掺杂过渡金属量有一个最佳值一个最佳值.在最佳掺杂量时过渡金属氧化物在最佳掺杂量时过渡金属氧化物MOx对对TiO2光催化活性的提高顺序为光催化活性的提高顺序为CuMnFeNiCoCr,这一顺序与对应氧化物这一顺序与对应氧化物生成焓大小即表面吸附氧的活泼性间有较好的一生成焓大小即表面吸附氧的活泼性间有较好的一致性致性;过渡金属离子稳定氧化态的电子亲和势与过渡金属离子稳定氧化态的电子亲和势与离子半径的比值和光催化活性间呈现火山型曲线离子半径的比值和光催化活性间呈现火山型曲线.催化剂的制备:金属来源金属来源多以酸根离子（尤以硝酸根，硫酸多以酸根离子（尤以硝酸根，硫酸根，碳酸根，草

6、酸根等为主）为阴根，碳酸根，草酸根等为主）为阴离子的金属盐，作为金属元素的来离子的金属盐，作为金属元素的来源来制备过渡金属掺杂的源来制备过渡金属掺杂的TiO2催催化剂。如化剂。如MnSO4H2O，MnC2O44H2O作为作为Mn源，以源，以Fe(NO3)3，作为，作为FeFe源等。源等。1溶胶凝胶法2沉淀法3浸渍法4水热法5其它方法TiO2 光催化剂的活性与其制备方法有很大关系。制备方法不同，催化剂的形状与尺寸、表面与结构性质各不相同。制备掺杂样品的方法主要有以下几种LOREMIPSUM这这种种方方法法是是在在用用溶溶胶胶凝凝胶胶法法制制备备TiO2纳纳米米粒粒子子的的过过程程中中，加加入入金

7、金属属离离子子的的盐盐溶溶液液，之之后后将将形形成成的的凝凝胶胶进进行行干干燥燥烧烧结结。这这种种方方法法避避免免了了以以无无机机盐盐为为原原料料的的阴阴离离子子污污染染问问题题，不不需需洗洗涤涤过过滤滤，不不产产生生废废液液，制制备备出出的的粒粒子子尺尺寸寸小小，金金属属粒粒子子在在TiO2中中的的分分布布均均匀匀，能在实验室阶段大量生产。能在实验室阶段大量生产。溶胶凝胶法缺点是制备过程中一般需要以有机钛为原料，成本较高，使其在工业生产上的应用受到限制。近几年来，冷冻干燥法和超临界流体干燥法为溶胶凝胶法注入了新的活力。陈晓青等在以溶胶凝胶法制备掺铁TiO2 纳米粒子时，采用在-50的低温干燥

8、方法，不仅保持了溶胶粒子性能，尤其是尺寸的恒定，而且与常规的恒温真空干燥相比，解决了由于加热使溶胶粒子尺寸增大的难题，且干燥时间由以往的5-48h缩短到2h，大大提高了单位时间内的产率。沉淀法沉淀法可分为直接沉淀法、共沉淀法和均匀沉淀法，其中共沉淀法最为便利。这种方法是将含有Ti4+和掺杂离子的溶液慢慢加到含有过量沉淀剂的溶液中，并进行搅拌。由于沉淀离子的浓度大大超过沉淀平衡浓度，从而使两种离子能够同时按比例沉淀下来，得到较均匀的沉淀物。沉淀可以是氢氧化物或水合氧化物，也可以是其它难溶盐。管盘铭等以TiCl4 和FeCl3、ZrOCl2、SnCl4为前驱体用共沉淀法制备了掺杂Fe2O3、ZrO

9、2和SnO2的TiO2 纳米粉。这种方法的优点是制备条件简单，成本低，是目前工业化看好的一种方法。缺点是钛元素和掺杂元素在沉淀时可能存在着速率不匹配，掺杂不均匀的问题，不利于TiO2光催化活性的提高。LOREM浸渍法LOREMIPSUMDOLOR 这种方法是将这种方法是将TiO2浸渍在金属离子的盐溶浸渍在金属离子的盐溶液中，通过加入碱液使掺杂金属离子转化为液中，通过加入碱液使掺杂金属离子转化为金属氢氧化物，经过烧结转变为金属氧化物。金属氢氧化物，经过烧结转变为金属氧化物。金属离子可以附着在金属离子可以附着在TiO2表面或进入晶格。表面或进入晶格。这种方法工艺简单、成本低廉，但粒子尺寸这种方法工

10、艺简单、成本低廉，但粒子尺寸较大，且金属离子不易在粒子中分布均匀。较大，且金属离子不易在粒子中分布均匀。水热法 水热法是指在密闭体系中，以水为溶剂，在一定温度和水的水热法是指在密闭体系中，以水为溶剂，在一定温度和水的自生压强下，原始混合物进行反应的一种合成方法。水热法是利自生压强下，原始混合物进行反应的一种合成方法。水热法是利用了化合物在高温高压水溶液中的特殊性质，制备出了纳米粉体。用了化合物在高温高压水溶液中的特殊性质，制备出了纳米粉体。其具体操作是：在内衬耐腐蚀材料的密闭高压釜中，加入其具体操作是：在内衬耐腐蚀材料的密闭高压釜中，加入TiO2的的前驱体及掺杂离子，按一定的升温速率加热，待高

11、压釜到所需的前驱体及掺杂离子，按一定的升温速率加热，待高压釜到所需的温度值，恒温一段时间，卸压后经洗涤、干燥即可得到纳米级的温度值，恒温一段时间，卸压后经洗涤、干燥即可得到纳米级的TiO2。水热法制备的纳米级TiO2粉体具有晶粒发育完整、原始粒径小、分布均匀、颗粒团聚较小等特点。但水热法制备TiO2 要经历高温高压，对材质和安全要求较严，而且成本较高。其它方法掺杂掺杂TiO2 的制备方法，除上述几的制备方法，除上述几种外，还有微乳液法。这种方法是种外，还有微乳液法。这种方法是近年来兴起的一种方法，其中近年来兴起的一种方法，其中W/O型微乳液法可以用来制备超细掺杂型微乳液法可以用来制备超细掺杂T

12、iO2。此外，固相法、溅射法、。此外，固相法、溅射法、离子注入法等也可用来制备掺杂离子注入法等也可用来制备掺杂TiO2.原理 类型2：贵金属沉积贵金属沉积于半导体表面可改变体系中贵金属沉积于半导体表面可改变体系中的电子分布状态的电子分布状态,从而实现对半导体的从而实现对半导体的修饰。贵金属沉积于修饰。贵金属沉积于TIO2表面后会形表面后会形成纳米级的原子簇。由于贵金属的费米成纳米级的原子簇。由于贵金属的费米能级能级(Ferm)i是低于是低于TiO2的费米能级的的费米能级的,当二者接触时当二者接触时,TIO2中的电子必定自动中的电子必定自动地移向贵金属地移向贵金属,直至两者的费米能级相直至两者的

13、费米能级相等等,从而在其界面形成了一个空间电荷从而在其界面形成了一个空间电荷层。其中贵金属带有负电层。其中贵金属带有负电,TIO2带有正带有正电电,这相当于在这相当于在TIO2的表面构成了一个的表面构成了一个光化学电池光化学电池,从而使光催化反应能够顺从而使光催化反应能够顺利得以进行。利得以进行。.LOREM实验证据skathivelskathivel等制备了等制备了Pd/TiO2、Au/TIO2和和Pt/Ti02光催剂光催剂,并降解酸性绿并降解酸性绿16,结果发现结果发现,与纯与纯TIO2相比相比,改性后的改性后的TIO2光催化效率有不同程度的提高。光催化效率有不同程度的提高。Jin等采用光

14、化学沉积技术制备了等采用光化学沉积技术制备了pd？TiO2、Cu?TiO2、Pd一一Cu?TiO2和和Pd一一Cu一一Pt/TiO2四种四种光催化剂。从表征结果中可以发现光催化剂。从表征结果中可以发现,每种金属都有每种金属都有各自的沉积方式各自的沉积方式:Pd均匀分散在均匀分散在TIO2薄膜表面薄膜表面;金金属属Cu在在TIO2表面呈现网状结构。同时在对表面呈现网状结构。同时在对2,4一二一二硝基苯酚、甲醛、三氯乙烯的降解中硝基苯酚、甲醛、三氯乙烯的降解中,修饰后的光修饰后的光催化剂活性明显比未修饰的催化剂活性明显比未修饰的TIO薄膜高。薄膜高。影响因素迄今的研究表明，迄今的研究表明，Pt、P

15、d、Ag、Au、Ru 等都是较常等都是较常用的贵金属元素，其中用的贵金属元素，其中 Ag 的费米能级最低，材料富集电的费米能级最低，材料富集电子的能力最强。子的能力最强。但过多的贵金属沉积有可能使贵金属成为电子和空穴但过多的贵金属沉积有可能使贵金属成为电子和空穴快速复合的中心，反而影响了光催化反应的进行。快速复合的中心，反而影响了光催化反应的进行。Zhang等探讨了等探讨了 4 种贵金属种贵金属 (Pt，Rh，Pd，Au)掺杂的纳米掺杂的纳米 TiO2对甲醛的光催化降解效果，通过比较发现，当掺杂对甲醛的光催化降解效果，通过比较发现，当掺杂 Pt 的量为的量为 0.3%时，无明显反应活性，而掺杂

16、时，无明显反应活性，而掺杂 Pt 的量为的量为 l%时反应的转化率为时反应的转化率为 100%，再将，再将 Pt 的量增加到的量增加到 2%时，时，转化率不变，因此转化率不变，因此 1%Pt/TiO2为最佳负载量，测试表明为最佳负载量，测试表明催化剂的吸收波长向长波段方向产生红移，促使甲醛完全催化剂的吸收波长向长波段方向产生红移，促使甲醛完全降解为降解为 CO2和和 H2O。1共凝胶法共凝胶法与过渡金属离子掺杂 Ti02合 成 的制备方法相同,二者的区别在于氯铂酸等贵金属盐会在热处理的过程中分解生成单质光沉积法.制备方法贵金属沉积通过两种方法进行,共凝胶法和光沉积(Photodepositio

17、n,PD)光沉积法将一定量的光沉积法将一定量的Ti02加至去加至去离子水中超声分散离子水中超声分散20min,再向其再向其中加入计算量的氯铂酸中加入计算量的氯铂酸,再加入再加入lmL甲醇作为牺牲剂甲醇作为牺牲剂,在不断通入在不断通入:2的情况下在紫外光下照射反的情况下在紫外光下照射反应应2.5h,反应结束后反应结束后,将样品进行将样品进行离心分离并于离心分离并于60C干燥后即得干燥后即得Pt负载负载Ti22。在该过程中。在该过程中,氯铂氯铂酸被酸被Ti02的光生电子还原为单质的光生电子还原为单质铂铂,而甲醇则用来消耗该过程中而甲醇则用来消耗该过程中产生的空穴。产生的空穴。类型3：稀土元素掺杂改

18、性TiO2 原理：LoremLorem 稀土元素具有不完全的稀土元素具有不完全的4f轨道和空的轨道和空的5d轨轨道，易产生多电子组态，具有多晶型、强吸附选道，易产生多电子组态，具有多晶型、强吸附选择性、热稳定性好以择性、热稳定性好以及掺杂后光催化剂的光吸收波段移向可见区等特及掺杂后光催化剂的光吸收波段移向可见区等特点，因此采用稀土元素掺杂点，因此采用稀土元素掺杂TiO2可能是一类有可能是一类有效的光催化剂。效的光催化剂。Li等观察到适量掺杂等观察到适量掺杂La可以有可以有效提高效提高TiO2光催化活性，并增加催化剂表面的光催化活性，并增加催化剂表面的Ti3+含量（有助于电子含量（有助于电子-空

19、穴对分离）空穴对分离）实验证据Ranjit64Ranjit64等研究等研究Eu3+、Pr3+、Yb3+掺杂掺杂TiO2光催化剂，发现稀土掺杂有利光催化剂，发现稀土掺杂有利于稳定高催化活性的锐钛矿相于稳定高催化活性的锐钛矿相TiO2。Xie等发现掺杂等发现掺杂Nd的的TiO2溶胶体系可见溶胶体系可见光降解光降解X-3B的光催化活性好于未掺杂的光催化活性好于未掺杂的的TiO2的，他们认为的，他们认为Nd的加入起到了的加入起到了捕获电子的作用。陈俊涛等制备了稀土捕获电子的作用。陈俊涛等制备了稀土（Sm,Dy,Lu）掺杂）掺杂TiO2的锐钛矿型薄的锐钛矿型薄膜，结果发现适量掺杂上述膜，结果发现适量掺杂

20、上述3种稀土元种稀土元素均引起素均引起TiO2薄膜的吸收光向长波方向薄膜的吸收光向长波方向移动，且移动，且3种元素对种元素对TiO2光催化活能提光催化活能提高的能力依次为高的能力依次为SmLuDy。LOREM 制备方法稀土元素掺杂改性稀土元素掺杂改性TiO2催化剂的制备方催化剂的制备方法与过度金属掺杂法与过度金属掺杂TiO2的制备方法相似，的制备方法相似，多采用溶胶凝胶法与浸渍法制备，具体制多采用溶胶凝胶法与浸渍法制备，具体制备方法（溶胶凝胶法）如下：备方法（溶胶凝胶法）如下：在室温下将搅拌均匀的在室温下将搅拌均匀的17ml钛酸四丁酯和钛酸四丁酯和30ml无水乙醇混合溶液在磁力搅拌下缓慢无水乙

21、醇混合溶液在磁力搅拌下缓慢地加入不同摩尔质量的硝酸钐（或硝酸铕地加入不同摩尔质量的硝酸钐（或硝酸铕或硝酸铈或硝酸钇）、或硝酸铈或硝酸钇）、28ml 无水乙醇、无水乙醇、20ml 冰醋酸、冰醋酸、7.2ml 蒸馏水的混合溶液中蒸馏水的混合溶液中水解，搅拌水解，搅拌 1h 得均匀透明的溶胶，陈化得均匀透明的溶胶，陈化后在后在 80真空干燥得干凝胶，研磨后置真空干燥得干凝胶，研磨后置于箱式电阻炉于不同煅烧温度下煅烧于箱式电阻炉于不同煅烧温度下煅烧 2h，得到稀土掺杂，得到稀土掺杂 TiO2纳米粒子。纳米粒子。关鲁雄等采用溶胶凝胶水热后处理法制备掺杂铜和钒的纳米 TiO2，研究结果表明：其晶粒直径约为

22、 6 nm；电子空穴分离效率提高；对可见光响应显著增强。光催化降解模拟实验，发现该 TiO2粉末对甲基橙有机废水的降解率很高，掺杂纳米 TiO2光催化剂扩大了对可见光响应范围，提高了光催化化降解效率。董发勤等以硝酸镨Pr(NO3)35H2O、硝酸银(AgNO3)为掺杂的前驱物，纳米(TiO2)为载体，用表面浸渍法制备了(银，镨)/氧化钛(Ag，Pr)/TiO2纳米材料，在 200230 nm 短波段内的光吸收性能较强，光波吸收范围较窄，在紫外光照射下产生OH 的强度达到 120000，比纳米 TiO2和镨掺杂纳米 TiO2的有极大幅度地增长。1，多种金属共同掺杂TiO2其他类型 2，金属和非金

23、属共同掺杂二氧化钛 其他类型 一些研究结果表明，金属元素与氮共掺杂也能产生一些研究结果表明，金属元素与氮共掺杂也能产生 协同作用协同作用，促使促使TiO2的可见光响应的可见光响应。如铜氮、铅氮、铂如铜氮、铅氮、铂 氮、铁氮、铈氮等的共掺杂。氮、铁氮、铈氮等的共掺杂。Song等发现铜氮共掺杂等发现铜氮共掺杂TiO2 在可见光区具有强吸收，光吸收带边红移，而且其光催化在可见光区具有强吸收，光吸收带边红移，而且其光催化 活性高于单掺杂和不掺杂的活性高于单掺杂和不掺杂的TiO2。王振华等研究铅氮共掺。王振华等研究铅氮共掺 杂杂 TiO2纳米晶（纳米晶（Pb-N-TiO2),结果表明铅氮共掺杂可以起到结

24、果表明铅氮共掺杂可以起到 协同作用，降低协同作用，降低 TiO2的带隙能，提高的带隙能，提高TiO2对可见光的吸收，对可见光的吸收，Pb-N-TiO2在可见光下表现出较高的催化活性在可见光下表现出较高的催化活性。吴遵义等发吴遵义等发 现铂氮共掺杂可使现铂氮共掺杂可使TiO2的吸收边带红移约的吸收边带红移约20 nm，Pt-N-TiO2 电极在可见光区的光电流约为纳米电极在可见光区的光电流约为纳米TiO2电极的电极的4 倍倍Cong等研等研 究铁氮共掺杂纳米究铁氮共掺杂纳米TiO2,发现铁的掺杂可使发现铁的掺杂可使TiO2的光吸收带边的光吸收带边 向可见光区移动，氮掺杂的这种移动趋势更强，铁氮共

25、掺杂时，向可见光区移动，氮掺杂的这种移动趋势更强，铁氮共掺杂时，光吸收带边的红移比单掺杂更强其原因是铁氮的共掺杂在光吸收带边的红移比单掺杂更强其原因是铁氮的共掺杂在TiO2 的带隙中引入了新的能级，使的带隙中引入了新的能级，使TiO2的禁带窄化。的禁带窄化。Liu 等制备了等制备了 几种金属（几种金属（Ag、Ce、Fe、La）与氮共掺杂的）与氮共掺杂的TiO2光催化剂。发光催化剂。发 现掺杂金属阳离子的半径和可变价态对共掺杂现掺杂金属阳离子的半径和可变价态对共掺杂 TiO2的光催化活的光催化活 性起着重要的影响。共掺杂性起着重要的影响。共掺杂TiO2粉末光吸收带边均红移到可见光粉末光吸收带边均红移到可见光区，尤其当掺杂的金属阳离子半径小区，尤其当掺杂的金属阳离子半径小于于Ti4+的半径，光吸收红移的半径，光吸收红移程度更大。程度更大。