铁掺杂二氧化钛光催化剂的性能研究

刘振兴

（陕西国防工业职业技术学院，陕西西安710300）

随着社会的不断发展和进步，环境污染以及能源危机问题也越来越严峻了，为了更好地解决环境和能源问题，人们在不断的研究中发现半导体光催化技术是解决该问题的有效契机。二氧化钛在应用过程中具有光催化活性高、化学稳定性好、清洁无毒、成本低等优点，在光催化剂中应用比较好。但是，其在进行光催化时，其禁带宽度比较宽，只能够吸收波长为387nm的光，应用范围和规模被抑制，同时，其在紫外光照下产生的光生电子-空穴，也会对其性能产生影响。而通过对其进行改性，如离子掺杂、贵金属沉积、半导体耦合等方式则能够解决其应用不佳的问题。下面，笔者将以铁掺杂二氧化钛光催化剂为例进行探究，以求更好的对相关问题进行分析。

1 掺杂研究实验

1.1 实验样品的制备

在对铁掺杂二氧化钛光催化剂的性能进行研究时，其是通过相关的实验进行的。首先在研究过程中需要实验样品的制备工作。工作人员首先需要准备好蒸馏水、烧杯、搅拌棒、钛酸四丁酯以及自制抑制剂等物品。在烧杯中的水60℃左右时，将一定量的钛酸四丁酯及自制抑制剂倒入到盛有蒸馏水的烧杯中使用搅拌棒进行快速搅拌，进而形成溶液A，之后再称取一定量的Fe（NO2）9H2O将其溶于5 ml左右的蒸馏水中形成溶液B，其PH值在2-3之间，继续搅拌溶液B5-10个小时直到其形成透明清亮的淡黄色溶液，将溶液采取一定措施进行陈化、干燥和热处理、冷却之后进行研磨就能够得到掺杂有铁的二氧化钛粉末。

1.2 性能表征

在对其性能表征进行研究时，采用日本TTRⅢ型转靶X射线衍射仪对所得到的样品进行物相分析，采用UV-2401PC型分光光度计测定样品的紫外-可见漫反射光谱；采用FL4500型荧光光度计测定样品的荧光光谱，采用纳米粒度分析仪表征样品的平均颗粒粒度。[1]

1.3 光催化性能检测

光催化性能检测主要是通过采亚甲基蓝（MB）作为目标降解物进行分析测算得到的。在实验过程中，选取约2ml左右掺杂铁的二氧化钛样品，将样品加入到相应的采亚甲基蓝溶液中，搅拌溶液30分分钟之后，样品能够迅速的实现吸附-脱附平衡，在其吸附-脱附平衡之后，将其放置在30瓦的日光灯下进行照射，观察其反应，照射过程中每隔1个小时取部分样品对其产生变化进行分析，并使用相关的公式测算降解率。

2 结果与讨论

2.1 XRD表征

据相关研究结果表明，在二氧化钛的特征射峰中，并没有明确的显示铁或者是铁的氧化物的峰，这可能是因为Fe3+与Ti3+的离子半径较为接近，Fe3+完全融入到二氧化钛晶格中取代了Ti3+，从而使得其均匀的分布在晶格中，也可能是因为掺杂量过少，导致在对铁离子进行检测时无法对其进行有效的检测，这样情况一般不具有研究价值，出现机率也比较少。而在对样品进行热处理时，则发现不同温度变化对于样品的作用也是不同的，如当热处理温度在300℃左右时，样品基本上都为锐钛矿相，衍射峰的走向呈现出比较尖锐的趋势，样品结晶品相比较好，其晶粒的尺寸相对来说比较小；但是在热处理的温度为400℃时，开始出现金红石相，晶体结构状态不稳定，在对其原因进行分析时，人们普遍认为出现这种情况只要是铁离子掺杂到二氧化钛中，经过热处理之后其内部晶粒尺寸在高温下发生了变化，尺寸在不断的缩小，使得原本的锐钛矿相转化为金红石相。在热处理温度为400℃时，样品虽然开始朝着金红石相转变，但是，其量不是很多，而随着热处理温度的不断升高，样品内部晶体结构也在不断变化，金红石相的含量不断增加。最终，在热处理温度为600℃时，所有样品均由锐钛矿相转变为金红石相。

2.2 荧光光谱

荧光光谱也是反映二氧化钛催化剂性能变化的重要依据，一般来说，荧光光谱亮度的变化与铁掺杂二氧化钛光催化剂之后其性能变化有着较为直接的关心。在研究中发现，当荧光光谱的亮度减弱时，就是铁掺杂数量最少的时候，在这个阶段，由于铁离子的数量比较少，因此其所能够捕获的电子数量也不是很多，电子和空穴因此无法进行有效的分离，其催化性能所受到的影响并不是很大。而在荧光光谱亮度变强时，则说明铁的掺杂量比较多，其所能够捕获的电子数量也相对的增加，电子和空穴得以更好的进行分离，光催化性能因此而出现较大的变化。

2.3 光催化性能

如上文所述，在对样品进行热处理时，温度为300℃时样品全部为锐钛矿相，而温度为600℃时则全部转变为金红石相，因此，在热处理温度为300-600℃这个区间时，锐钛矿相与金红石相一直是处于共存状态的，而在这个阶段电子与空穴之间复合的机率是最低的，因为锐钛矿相与金红石相属于不同的种类，锐钛矿相所产生的空穴无法与金红石相的电子进行融合，这样也很难使之复合。而热处理温度的升高，使得所有样品都转化为结构不是十分稳定的金红石相，电荷分离速度更快，这样也就有效的提升了光催化剂的催化性能。但是需要注意的是在二氧化钛催化剂中掺杂铁离子要注意控制好量，量多或者是量少，都可能导致其无法有效的渗入到二氧化钛晶格中，无法有效的提高光催化剂催化性能。

3 结论

在通过溶胶-凝胶法将铁掺杂到二氧化钛光催化剂中后，铁的掺入有效地降低了光生电子-空穴对的负荷，使得其吸收光谱波长得以延伸，不仅有效的提高了光催化活性，而且其对可见光的吸收也有一定的帮助，提高了二氧化钛的性能，对于相关工作的开展具有一定的帮助。