稀土金属元素掺杂二氧化钛制备与应用文献综述

文献综述

1.1 课题研究的现状及发展趋势

光催化在环境保护、洁净能源、医疗卫生、建筑材料、汽车工业和食品保鲜等众多领域具有广阔的应用前景和重大的社会经济效益，因而受到科学界、政府部门和企业界的高度重视TiO₂因具有较好的化学稳定性、无二次污染、适用的污染物广等优点，使其在光催化中得到广泛的应用^[1-4]。但由于TiO₂光催化剂带隙较宽^[5]，只能被波长较短的紫外光激发，太阳能利用率低(只利用约3%~5%的紫外光部分)，而且其光生电子-空穴容易发生复合，导致光量子效率降低^[6-8]。为了进一步改善TiO₂的性能，提高其量子效率和催化活性，拓展可见光响应范围，人们采用了多种方法和手段。常用的有：贵金属沉积、半导体复合、离子掺杂、光敏化、表面还原处理、表面螯合、超强酸酸化等^[9]。其中，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其能带结构，最终调变其光催化性能^[10-13]。稀土元素具有不完全的4f轨道和空的5d轨道，常用于催化剂和助催化剂制造。目前对稀土离子掺杂的改性机制研究不够深入，尤其是对稀土离子掺杂改性TiO₂表面光谱性能研究甚少。本课题将稀土离子作为掺杂剂对二氧化钛进行改性，以期获得较好的光催化效果。在基础生产实践过程中，尤其是农业、工业、制造业等行业突飞猛进的同时，也给自然环境带来很极大影响，严重的影响了生态平衡和资源的可持续发展。在环境问题中，尤为突出的就是水污染问题，而大量农业污水，工业废水的产生，对人类生活造成

严重危害，所以污水治理及相关的水利问题已经成为了全人类共同需要面对的重要问题。近些年，为了解决污水治理这一重大难题，很多研究者都从降解污水中有机物这个角度出发，寻找新技术新材料来提高对污水废水的降解程度，而Ti0:因其优良的催化活性受到了众多研究的关注，已经成为了热点研究对象，随着研究的深入，在降解有机物取得一定的成果。比如，在印染生产中会形成大量印染废水，这些带着各种颜色、气味和有害物质的废水，对人类健康和生态环境造成了巨大危害，而Ti0:在光照条件下，可以降解有机物的主要官能团从而达到水资源净化的作用。此外在农业生产中，农药中有许多是含有如卤代烃、芳环类的有机化合物，通过各种渠道汇集到了河流或者水源之中，而一些研究在探讨了Tl}:降解有机物的效果。通过近些年的研究发现T1o2

在污水治理方面有很大的作用。环境问题不止只有水污染，有害气体的危害同样很严重。除了温室气体的排放加大之外，各种如硫化氢、甲醛、氨气等的过量排放都对空气造成极大影响，而在一些工业产品如油漆、装修材料等中会释放出有毒气体，在加上汽车尾气、工厂废气的排放的有

害气体，都对空气造成了巨大危害。最近几年随着半导体气敏材料和光催化技术的共同发展给空气净化提供了有力帮助。因为Ti0:可以吸附作用使这些有毒气体的浓度降低或者彻底消除。比如汽车尾气大多是硫氧化物，这也是造成酸雨的罪魁祸首，但是如果利用纳米Ti0:材料对其进行氧化分解，从而起到了净化空气降低大气污染的效果。在科学研究方面，很多研究都在Ti0:对气态污染物降解作用做了大量试验，证明了Ti0:对多种有害气体有降解作用，但这些反应大多还是在水中或者其他溶液中进行，说明净化空气的研究还有待于进步一发展。

1.2 本课题研究的意义和价值

1、环境和能源问题是21世纪人类面临和亟待解决的重大问题，光催化因能在室温下反应并直接利用太阳能来驱动反应等独特性能而成为一种较为理想的环境污染治理和洁净能源生产的技术。二氧化钛具有无毒、催化活性高、氧化能力强、稳定性好、反应条件温和、对低浓度污染物及气相污染物也有很好的去除效果、制备材料易得、运行费用低和有望利用太阳光作为反应光源等一系列优点，使其得到了广泛的应用^[14-16]。虽然TiO₂有其自身的局限性，但它仍是最具潜力的光催化剂。TiO₂是一种非常有发展前途的污染治理材料，因此对探讨稀土元素掺杂以提高二氧化钛光催化性能，应用于有机废水的降解，对锻炼提高大学生科研能力，对保护水资源和生态环境具有现实意义和价值。

2、为寻找到使用更简便、更绿色的方法来制备二氧化钦光催化材料，用三种不同

的制备方法(溶胶凝胶法、反相微乳液法、生物模板法)制备出了Ti02样品，通过XRD,