二氧化钛(TiO 2)被认为是一种重要的光催化和稀释铁磁性材料,在太阳能水分解、污水处理和自旋电子学领域具有广泛的应用。因此,通过离子掺杂来改善其光催化和室温铁磁性已成为近年来的研究热点。相比而言,非金属元素可以减小TiO 2禁带宽度,提高光吸收能力和催化性能、减少电子和空穴的复合速率。本文主要综述了室温下TiO 2掺杂非金属元素对其催化性能和铁磁性能的影响及其研究进展,将对TiO 2的进一步的研究和推广具有重要意义。 Titanium dioxide (TiO 2) is regarded as one of the important photocatalytic and diluted magnetic materials for a long time, and it has wide applications in the field of the solar water splitting, sewage disposal and spin electronics and so on. Therefore, doping with proper elements to improve and expand its scope of application has become the focus of recent research. Comparatively speaking, the nonmetal elements can improve the performance of TiO 2 in reducing the band gap, improving the light absorbing capacity, reducing the electron and hole recombination and other aspects. In this paper, we mainly summarize the effect of nonmetal elements doping on room temperature ferromagnetism and catalytic performance of TiO 2. The review may contribute to the further studying and wider application of TiO 2.
鲁雅荣*,麦合木提·麦麦提*,买买提热夏提·买买提#
新疆大学物理科学与技术学院,新疆 乌鲁木齐
收稿日期:2019年3月25日;录用日期:2019年4月11日;发布日期:2019年4月18日
二氧化钛(TiO2)被认为是一种重要的光催化和稀释铁磁性材料,在太阳能水分解、污水处理和自旋电子学领域具有广泛的应用。因此,通过离子掺杂来改善其光催化和室温铁磁性已成为近年来的研究热点。相比而言,非金属元素可以减小TiO2禁带宽度,提高光吸收能力和催化性能、减少电子和空穴的复合速率。本文主要综述了室温下TiO2掺杂非金属元素对其催化性能和铁磁性能的影响及其研究进展,将对TiO2的进一步的研究和推广具有重要意义。
关键词 :二氧化钛,光催化性能,室温铁磁性
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二氧化钛(TiO2)是一种重要的金属氧化物,具有优异的光催化性能,价格低廉且化学性能稳定,广泛应用于光催化剂、染料敏化太阳能电池、锂离子电池等领域。1972,Fujishima和Hond首次报道了TiO2作为催化剂可以提高水在半导体电极上的电化学光解能力 [
二氧化钛的光催化原理基于能带理论上,见图1 [
早期,离子掺杂的研究多以掺杂过渡金属元素收缩能带,主要利用Ti原子d轨道的导带和掺杂原子的d轨道重叠得到 [
图1. 二氧化钛光催化过程示意图 [
图2. TiO2的能带图,(a) 未掺杂;(b) 金属元素掺杂;(c) 非金属元素掺杂 [
迄今为止,已有大量文献报道了TiO2在光催化剂方面的应用,并证明掺杂非金属元素可以减小禁带宽度,扩大TiO2在可见光的吸收范围。图3显示了几种常见的非金属元素掺杂对TiO2带隙的影响。很显然,无论是哪种元素的引入,X-TiO2的能带宽度都会减小。
图3. 掺杂H [
N的取代是研究最广泛并被认为最有效的掺杂元素。2001年,Asahi等 [
C元素掺杂对纳米TiO2光催化性能的改善效果也很明显 [
TiO2的光催化改性一般主要针对锐钛矿TiO2和金红石TiO2。然而,近年来,板钛矿TiO2被证明比锐钛矿相和金红石相更具有光化学活性 [
前面已经提到H掺杂TiO2对其催化性能有较明显的提升 [
二氧化钛的氟化会导致紫外线吸收系数的增加,优异的光反应性扩大其在建筑和汽车玻璃窗方面的应用。F的引入显著提高纳米TiO2颗粒的结晶度和吸附性,提高甲醛的降解速率 [
TiO2的RTFM的研究主要集中在金属掺杂,特别是含有不成对电子结构的过渡金属元素,如Mo [
Yang等 [
Drera等 [
基于以上综述,表1列出了通过不同实验方法和理论计算,三种非金属元素N,C,H对掺杂改性TiO2的光催化性能和室温铁磁性的总结。从表中可以清楚地看出,掺杂后二氧化钛的室温铁磁性和光催化性能有了显著的改善。例如,RTFM的性能与Ms和Mr的增加有关;带隙和吸收波长的变化反映了非金属元素掺杂改善了TiO2的光催化性能和光降解能力;光电流密度的增加意味着可见光下水解能力的提高。此外,介孔尺寸的变化表明,非金属元素可以形成一种新的状态,该状态正好位于价带上方,减小了TiO2的带隙,提高TiO2的光催化性能。
掺杂元素 | 制备方法 | 性能 | Ref | 结构 | ||
---|---|---|---|---|---|---|
参数 | 初始 | 改性后 | ||||
N | 水热法 | 饱和磁化强度 | 0.007 emu/g | 0.042 | [ | 锐钛矿 |
矫顽力 | 100 Oe | 215 | ||||
高温氧化法 | 吸收边波长 | 390 nm | 415 | [ | ||
溶胶凝胶法 | 带隙宽度 | 3.09 eV | 2.91 | [ | ||
射频溅射法 | 饱和磁化强度 | 5 emu/cm3 | 30 | [ | 金红石 | |
第一性原理计算 | 带隙宽度 | 2.52 eV | 1.76 | [ | 板钛矿 | |
C | 溶胶凝胶法 | 晶粒尺寸 | 3.0 nm | 5.6 | [ | 锐钛矿 |
一步“绿色”合成法 | 带隙宽度 | 3.10 eV | 2.78 | [ | ||
程序升温碳化法 | 吸收边波长 | 470 nm | 700 | [ | ||
化学改性法 | 400 nm | 800 | [ | |||
H | 电化学法 | 光电流密度 | 0.35 mA/cm2 | 2.2 | [ | 板钛矿 |
水热法 | 光电流密度 | 130 μA/cm2 | 650 | [ | ||
带隙宽度 | 3.35 eV | 3.05 | ||||
第一性原理计算 | 带隙宽度 | 2.96 eV | 2.81 | [ | 锐钛矿 | |
2.91 eV | 2.79 | 金红石 | ||||
2.52 eV | 2.39 | 板钛矿 |
表1. N,C,H掺杂改性TiO2
本文主要研究了几种非金属元素掺杂TiO2对其光催化和室温铁磁性能的影响。性能的变化与掺杂位点、掺杂浓度和TiO2的结构有关。此外,自旋极化态的形成增强了TiO2的磁性能,而间隙态的形成伴随着禁带宽度的显著减小,提高了TiO2的光催化活性。综上所述,非金属或非磁性元素可以显著提高催化性能和室温铁磁性。制备具有比表面积高、复合速率低、光催化效率高和热稳定性优异等特点的改性TiO2,将是未来光催化材料主要的研究方向。
国家自然科学基金项目(61366001)支持。
鲁雅荣,麦合木提·麦麦提,买买提热夏提·买买提. 非金属元素掺杂TiO2的光催化性能和室温铁磁性综述Catalytic Performance and Room Temperature Ferromagnetism of TiO2 Doped with Non-Metallic Elements[J]. 材料科学, 2019, 09(04): 338-346. https://doi.org/10.12677/MS.2019.94045