探究FeMoV单掺杂及共掺杂对TiO₂光催化性能的影响：微观结构与宏观性能的关联.docxVIP

探究FeMoV单掺杂及共掺杂对TiO?光催化性能的影响：微观结构与宏观性能的关联

一、引言

1.1研究背景与意义

随着工业化进程的加速和全球人口的增长，环境污染与能源危机已成为制约人类社会可持续发展的关键因素。传统化石能源的过度依赖不仅导致资源逐渐枯竭，其燃烧过程中排放的大量污染物，如温室气体、氮氧化物、硫化物等，也对生态环境造成了极大的破坏。寻求清洁、可再生的能源以及高效的环境污染治理技术，已成为当今科学界和工业界的研究重点。

光催化技术作为一种绿色、可持续的技术手段，在解决能源和环境问题方面展现出巨大的潜力。该技术利用半导体材料在光照射下产生的光生载流子（电子-空穴对），引发一系列氧化还原反应，从而实现对有机污染物的降解、水的分解制氢以及二氧化碳的还原等过程。在众多半导体光催化材料中，二氧化钛（TiO?）凭借其独特的物理化学性质，成为了研究最为广泛和深入的材料之一。

TiO?具有化学稳定性高、催化活性良好、价格相对低廉、无毒无害等显著优点，在光催化领域具有重要地位。在环境治理方面，它能够有效降解水中的有机污染物，如染料、农药、抗生素等，将这些有害物质转化为无害的二氧化碳和水，从而实现水体的净化；在空气净化中，TiO?可以分解空气中的有害气体，如甲醛、苯等挥发性有机物，改善室内外空气质量。在能源领域，TiO?可用于光解水制氢，将太阳能转化为化学能储存起来，为解决能源危机提供了一种潜在的途径；还可应用于太阳能电池，提高光电转换效率。

然而，TiO?本身也存在一些固有的缺陷，限制了其光催化性能的进一步提升。TiO?的禁带宽度较大，锐钛矿型约为3.2eV，金红石型约为3.0eV，这使得它只能吸收波长较短的紫外光，而紫外光仅占太阳光总能量的约5%，对太阳能的利用率较低。光生载流子在TiO?内部的复合率较高，导致光生载流子的寿命较短，无法充分参与光催化反应，从而降低了光催化效率。为了克服TiO?的这些局限性，科研人员开展了大量的研究工作，其中掺杂改性是一种非常有效的策略。

过渡金属Fe、Mo、V具有特殊的电子结构和化学性质，在TiO?中引入这些元素进行单掺杂及共掺杂，有望通过改变TiO?的晶体结构、电子结构和光学性质，来拓宽其光吸收范围，抑制光生载流子的复合，从而提高TiO?的光催化性能。通过Fe的掺杂，可能在TiO?的禁带中引入杂质能级，使TiO?能够吸收可见光，拓展光响应范围；Mo的掺杂或许可以改变TiO?的晶体结构，增强光生载流子的分离效率；V的掺杂则可能影响TiO?的表面性质，提高对反应物的吸附能力。而共掺杂时，不同元素之间可能产生协同效应，进一步优化TiO?的光催化性能。研究FeMoV单掺杂及共掺杂对TiO?光催化性能的影响，对于开发高效的TiO?基光催化剂，推动光催化技术在环境保护和能源领域的实际应用具有重要的理论和现实意义。

1.2国内外研究现状

在TiO?光催化剂的掺杂改性研究中，国内外学者针对Fe、Mo、V单掺杂及共掺杂展开了一系列探索。

对于Fe掺杂TiO?，研究发现Fe离子的引入可以在TiO?禁带中引入杂质能级，拓展光响应范围至可见光区。一些研究表明，适量的Fe掺杂能够提高光生载流子的分离效率，从而提升光催化活性，但当Fe掺杂浓度过高时，会形成过多的电子-空穴复合中心，导致光催化性能下降。不同的制备方法和实验条件也会对Fe掺杂TiO?的光催化性能产生显著影响。

关于Mo掺杂TiO?，有研究指出Mo的掺杂可以改变TiO?的晶体结构和表面性质，增强对反应物的吸附能力，进而提高光催化性能。Mo掺杂还能够抑制TiO?由锐钛矿相向金红石相的转变，有利于保持较高的光催化活性。不过，Mo掺杂的最佳浓度和掺杂方式仍需进一步优化。

在V掺杂TiO?方面，相关研究表明V的掺杂可以在TiO?禁带中引入新的能级，降低光生载流子的复合率，提高光催化效率。V掺杂还能增强TiO?对某些特定污染物的降解能力。但目前对于V掺杂TiO?的光催化机理研究还不够深入，需要进一步探讨。

在共掺杂研究方面，部分学者探究了Fe-Mo共掺杂TiO?，发现两种元素的协同作用能够进一步优化TiO?的光催化性能，比单掺杂时表现出更好的光催化活性，但共掺杂的比例和分布对光催化性能的影响还需要更系统的研究。对于Fe-V共掺杂TiO?以及Mo-V共掺杂TiO?，也有研究报道显示出一定的协同效应，但研究相对较少，还有很多未知的地方有待探索。对于Fe、Mo、V三者共掺杂TiO?的研究则更为有限，其光催化性能及作用机制尚不清楚。

当前研究虽然取得了一定成果，但仍存在一些问题与不足。不同研究之间的实验条