稀土元素掺杂TiO_(2)光催化性能研究分析.pdfVIP

总第234期山西化工Total234

2025年第5期ShanxiChemicalIndustryNo.5,2025

科研与开发D0I:10.16525/14-1109/tq.2025.05.004

稀土元素掺杂TiO2光催化性能研究分析★

关正伟，周平

（重庆移通学院智能工程学院，重庆401520）

摘要：为提升TiO,在光催化中性能，以解决其仅对紫外光敏感且光生电子一空穴对复合率高的问题，本研究采用

稀土元素掺杂改性策略，通过溶胶一凝胶法合成并结合微波水热法制备纳米结构的稀土掺杂TiO2材料，分析稀土

元素（如镧、铈、等)掺杂对TiO2晶体结构、光谱响应、光催化活性的影响。结果表明，不同稀土元素掺杂可扩展

TiO,的光谱响应至可见光区域，降低光生电子一空穴对的复合率，提升材料的光催化效率。研究成果可为稀土掺杂

TiO,在环境治理和能源转化中的实际应用提供理论支持。

关键词：稀土元素；光催化性能；TiO2

中图分类号：TQ423.93文献标识码：A

TiO,作为一种应用半导体光催化材料，凭借稳定构优化时，晶型的控制对其光催化性能的提升具有重

性、易获取、低成本等优势，在污染物降解、水处理、空要影响。

气净化等环境治理领域有着巨大应用潜力。纯TiO2

存在的光谱响应范围窄、光催化效率低等问题限制着

其在实际应用中的效果。1972年藤岛昭等发现TiO2

在紫外光照射下可以催化水分解，开启了光催化技术

研究热潮，该技术在可见光区域的响应依然是技术难

1-2金红石

点。近年来稀土元素掺杂被证明是有效的TiO2改性

Ti

方法。稀土元素的独特电子结构，尤其是其未完全填O0

充的4f轨道，使其在掺杂到TiO,后可提供额外的能

级，从而增强可见光吸收，并通过抑制光生电子与空1-1锐钛矿

穴复合来提高光催化效率。稀土元素在催化过程中展图1TiO2晶体结构图

现出对晶相转变的稳定作用，进一步优化了TiO,的1.2TiO2光催化反应机制

光催化性能。因此,研究稀土掺杂对TiO,结构、性能TiO2的光催化反应机制依赖光生电子－空穴对

的影响具有重要意义,为TiO2在环境污染治理、绿色的生成和分离过程。当光照能量大于或等于TiO2的

能源应用等方面的推广提供了实践支持。禁带宽度（约3.2eV)时，价带中的电子被激发到导

1TiO2光催化材料的基本原理带,从而形成光生电子和空穴对。光生电子在TiO2表

1.1TiO2的晶体结构与性质面与吸附的氧分子结合，生成超氧自由基,空穴则通

TiO2是一种典型的宽禁带半导体材料,具有三种过氧化水或羟基生成羟基自由基(·OH)。这些自由基

主要晶体结构：锐钛矿型、金红石型、板钛矿型。锐钛具有很高的氧化性,能将有机污染物彻底分解为无毒

矿、金红石是光催化应用中的关键晶型,其中锐钛矿的小分子物质(如CO,和H,O)。光生电子－空穴对的

的禁带宽度约为3.2eV,较适用于紫外光激发,产生快速复合会显著降低光催化效率，因此，通过掺杂改

光生电子空穴对，在光催化领域应用最为广泛。金性和晶型调控来抑制复合并扩大光谱响应范围，是提

红石的禁带宽度为3.0eV，具有较高的热稳定性，但升TiO,光催化性能的重要手段。

光催化活性相对较低。相较之下，板钛矿型结构因缺1.3TiO,光