稀土摻雜納米TiO-,2-的結(jié)構(gòu)和電子特性研究.pdf

1、以納米半導(dǎo)體氧化物為催化劑的多相光催化是一種理想的環(huán)境污染治理技術(shù)，已成為近年來國際上最為活躍的研究領(lǐng)域之一。TiO<,2>以其無毒、氧化能力強、穩(wěn)定性好和成本低而最為常用。利用稀土元素獨特的4f電子結(jié)構(gòu)，對TiO<,2>進(jìn)行摻雜改性是常用的提高TiO<,2>光催化活性和太陽能利用率的方法?？v觀目前眾多的稀土摻雜TiO<,2>光催化研究，絕大多數(shù)的研究重點放在光催化劑的使用性能上，導(dǎo)致重復(fù)性研究十分嚴(yán)重，而對其影響機制的研究也是猜想多于

2、證據(jù)，對光催化劑性能起決定作用的結(jié)構(gòu)和電子特性研究顯得尤為不足。為此，本文圍繞稀土摻雜納米TiO<,2>的結(jié)構(gòu)特性、光學(xué)特性、電子特性和理論研究四個方面進(jìn)行了深入的研究，取得了一批有價值的結(jié)論。本研究達(dá)到了預(yù)期的研究目標(biāo)，取得了一些具有理論價值和工程價值的創(chuàng)新性研究成果。 本文從稀土摻雜納米TiO<,2>的結(jié)構(gòu)、光學(xué)、電子特性和理論模擬四個方面展開研究，獲得了以下重要結(jié)論： 1、在結(jié)構(gòu)特性研究方面，采用XRD、TEM、H

3、RTEM／EDS和XPS對稀土摻雜納米TiO<,2>進(jìn)行了表征。實驗結(jié)果表明，稀土摻雜使TiO<,2>的XRD（101）衍射峰向2θ小角度方向移動并出現(xiàn)寬化現(xiàn)象，導(dǎo)致TiO<,2>發(fā)生晶格畸變，并對TiO<,2>晶粒長大有抑制作用?；赬RD與HRTEM分析和理論模型的結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)果認(rèn)為，稀土摻雜離子在TiO<,2>基體中存在如下兩種形式：取代Ti<'4+>離子進(jìn)入TiO<,2>晶格之中和以氧化物形式局部集聚在TiO<,2>晶格內(nèi)。

4、 2、在光學(xué)特性研究方面，采用UV-vis DRS和FS對稀土摻雜納米TiO<,2>進(jìn)行了表征。實驗結(jié)果表明，除Ce外，其余稀土元素?fù)诫sTiO<,2>（La、Pr、Nd、Sm和Eu）的UV-vis DRS吸收邊發(fā)生藍(lán)移；而Ce摻雜導(dǎo)致吸收邊發(fā)生紅移，并且存在一個最佳摻雜量（1.5 at.％）；對光學(xué)吸收特性的理論計算結(jié)果與測試結(jié)果一致，同時驗證了稀土離子吸收光譜帶的存在；Sm摻雜在熒光光譜中引起了新的發(fā)射峰，其強度隨Sm摻雜量的改變而

5、改變，其余稀土元素（La、Ce、Pr和Nd）只影響納米TiO<,2>的發(fā)射峰強度和范圍。 3、在電子特性研究方面，采用SRPES、XANES和STS對稀土摻雜納米TiO<,2>進(jìn)行了表征。實驗結(jié)果表明，稀土Nd的4f電子與TiO<,2>價帶譜中的O-2p和Ti-3d電子態(tài)發(fā)生雜化作用，導(dǎo)致其價帶起始邊向低結(jié)合能方向移動；稀土元素?fù)诫s影響Ti-K邊的XANES邊前區(qū)中對應(yīng)于O-2p電子躍遷的A2吸收峰的能量位置和吸收強度，驗證了4

6、f電子與TiO<,2>價帶的相互作用；Ce摻雜TiO<,2>的STS中出現(xiàn)了新的雜質(zhì)能級，表明稀土摻雜改變了納米TiO<,2>的表面電子結(jié)構(gòu)。 4、在理論模擬方面，采用基于第一性原理的量化軟件計算了稀土摻雜TiO<,2>的電子結(jié)構(gòu)。計算結(jié)果表明，稀土摻雜在TiO<,2>能隙中引入了4f雜質(zhì)能級，與Ti-3d或O-2p態(tài)密度發(fā)生不同程度的重疊。根據(jù)4f能級在能隙中所處的位置，將Ce的4f能級劃分為施主能級，而將Pr、Nd、Sm、E