多元金属/非金属掺杂的半导体TiO2的可见光光催化性能研究(3)

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致谢 33

参考文献 34

1 绪论

随着社会的发展，人们正在不得不面对能源资源缺乏，环境污染严重等问题。为解决这些问题，科学家们正在不断地研究，努力寻找可替代的清洁能源材料和环境污染治理材料。光催化是一种能够将地球表面的大部分的太阳能转换成化学能的环境友好且很有情景的技术，而半导体材料、石墨烯材料以及类石墨烯材料[1-3]等光催化材料目前受到了广泛的关注。

半导体TiO2因其具有稳定的化学性质、较好的耐酸碱性、成本低、对环境无污染等特性，而成为最佳的光催化材料之一[4]。

1.1 纳米材料与半导体

近年来，随着科学发展的不断前进与研究尺度的不断深入，人们所关注的客观世界从宏观领域逐渐过渡到微观领域。然而，在宏观领域与微观领域之间，还存在着所谓的介观领域。在介观领域，由于三维尺寸都比较小，因此出现了许多崭新的奇异的性能。这个领域包括了从微米、亚微米、纳米到团簇尺寸的范围。纳米材料的概念由此而来，它一般是由1nm～100nm间的粒子组成，介于宏观物质与微观原子、分子交界的过渡区域，是一种典型的介观系统。纳米材料具有的特点包括小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应和介电限域效应，都是纳米微粒与纳米固体的基本特征，这一系列效应导致了纳米材料在熔点、蒸气压、相变温度、光学性质、化学反应性、超导、磁性及塑性形变等许多物理和化学方面都显示出特殊的性能。它使纳米微粒和纳米固体呈现出许多奇异的物理、化学性质。这些性质使得它们在高科技中扮演越来越重要的角色，如光电转换材料、功能涂层材料、纳米稀土材料、纳米半导体及光催化有机物降解材料等[5]。

半导体是介于导体和绝缘体之间，电导率10-10Ω-1·cm-1~104Ω-1·cm-1之间的物质。半导体的主要特征是带隙的存在，其电学、光学的性质归根结底是由于这一带隙的存在而导致的。半导体按照载流子的特征可分为本征半导体、n型半导体和p型半导体。本征半导体中，载流子是由部分电子从价带激发到导带上产生的，形成数目相等的电子和空穴。n型和p型半导体属于掺杂半导体，n型半导体是施主向半导体导带输送电子，形成以电子为多子的结构；p型半导体是受主接受半导体价带电子，形成以空穴为多子的结构。由于半导体具有特殊的光、电、磁等性质，因此得到广泛的应用[6]。

1.2 TiO2与光催化

二氧化钛俗称钛白粉，它无毒、无、无刺激性、热稳定性好、不分解、不挥发，且原料来源广泛易得。它有三种晶型：板钛矿、锐钛矿和金红石型[7]。其中板钛矿型不稳定，金红石型和锐钛矿型应用广泛，在制备光电化学电池、等离子体器件、铁电材料、光敏元件、气敏元件、光解水器件、防雾玻璃、有机物光降解催化剂等方面具有重要的应用。TiO2作为一种宽禁带的n型纳米半导体（锐钛矿型3.2eV，金红石型3.0eV，板钛矿型3.3eV），因其可见光透过率高、高折射率、无毒、无、无刺激性、具有极强的吸收紫外线的能力和化学稳定性好等优良特性在光催化降解有机物、染料敏化太阳能电池以及防雾自洁净等方面展现出广阔的应用前景。目前市场上能购买到的性能较好的纳米TiO2粉体是德国Degussa公司用O2氧化TiCl4的方法生产的，商品牌号为P-25。这种粉体是锐钛矿相和金红石相的混晶，其中锐钛矿相占80%，金红石相占20%，比表面积为55g/m2。