鈷摻雜二氧化鈦納米晶體的制備及其光催化性能的研究進(jìn)展

顧俊娜 劉立華 華 中

(吉林師范大學(xué) 物理學(xué)院，吉林 四平 136000)

1 引言

目前金屬離子摻雜二氧化鈦稀磁半導(dǎo)體的研究是熱點(diǎn)問(wèn)題，同時(shí)對(duì)于其光催化降解的問(wèn)題也是很熱點(diǎn)問(wèn)題，納米級(jí)的粉末樣品其性質(zhì)也比較好。并且對(duì)于鈷摻雜二氧化鈦的光催化性質(zhì)目前還沒(méi)有一個(gè)確定的結(jié)論。因此我選擇研究鈷摻雜TiO2納米粉末的光催化性質(zhì)的進(jìn)展研究。

2 溶膠凝膠法制備鈷摻雜二氧化鈦納米晶體

就目前的研究，銳鈦礦的光催化效果在三種類型中屬于最好的。齊娜喬［5］等人以鈦酸四丁酯和乙酸鈷為原料，按照0.3mol/l的原料濃度，無(wú)水乙醇和去離子水混合作為溶劑，硝酸作為穩(wěn)定劑，經(jīng)過(guò)攪拌、陳化、80度干燥48小時(shí)制成干凝膠，最后進(jìn)行400度熱處理4h得到所需的粉末進(jìn)行研究，粒徑大約在5～10納米。劉秀華［4］等人也用溶膠凝膠法制成了樣品，使用硝酸鈷和鈦酸四丁酯，用鹽酸、蒸餾水和乙醇作為溶劑，經(jīng)攪拌陳化，自然蒸發(fā)變成凝膠，進(jìn)而在設(shè)定的溫度干燥制成所需的干凝膠。對(duì)于不同的熱處理溫度，粒徑大小也不同，在600度熱處理粒徑為81.6納米左右，在700度熱處理粒徑已經(jīng)達(dá)到了165.4納米，同時(shí)也存在鈦酸鈷雜相。也制作了薄膜樣品，由于對(duì)薄膜樣品研究較多，本文不對(duì)薄膜進(jìn)行述說(shuō)。

3 水熱法制備鈷摻雜二氧化鈦納米晶體

水熱法是屬于在較高溫度和較大壓強(qiáng)下，使反應(yīng)物質(zhì)在混合的溶劑中發(fā)生反應(yīng)。當(dāng)溫度升高時(shí)，水也可以在反應(yīng)中充當(dāng)反應(yīng)物，發(fā)生一些特殊的反應(yīng)，所以研究人員也經(jīng)常使用水熱法合成一些納米級(jí)的晶體以及非晶體，彭翔宇［6］等人曾用水熱法合成了二氧化鈦納米粉末，用TiCl3作為前驅(qū)物，十二烷基硫酸鈉做為表面活性劑。制成了光催化活性很高的菊花狀的納米棒束銳鈦礦相納米二氧化鈦晶體。等等也有很多研究者應(yīng)用此方法制成了納米級(jí)二氧化鈦粉末，以及納米管等一些結(jié)構(gòu)的二氧化鈦，光催化活性也不盡相同，降解有機(jī)染料的能力也各不相同。

4 鈷摻雜二氧化鈦納米晶體的光催化降解染料的研究進(jìn)展

4.1 溶膠凝膠法制備樣品研究

實(shí)驗(yàn)中對(duì)于光催化降解能力的影響因素很多，摻雜比例，結(jié)晶度，粒徑的大小，樣品的質(zhì)量，光照的時(shí)間，光源的選擇，制作樣品時(shí)的反應(yīng)溫度與時(shí)間，溶劑的量，酸堿度，表面活性劑等等，劉秀華制出的樣品得出結(jié)論，摻雜鈷的二氧化鈦的光催化性能降低。簡(jiǎn)麗［3］等人用溶膠凝膠法制出了鈷摻雜二氧化鈦樣品，降解甲苯，她的摻鈷量是1% ～6%并對(duì)其進(jìn)行熱處理，結(jié)果

發(fā)現(xiàn)鈷進(jìn)入二氧化鈦晶格并不能對(duì)光催化活性產(chǎn)生大的影響，只是可以提高催化劑的壽命。因此對(duì)于此種結(jié)果可能是由于鈷離子和鈦離子的離子半徑相差較小，所以畸變很小，導(dǎo)致催化劑對(duì)甲苯的降解率并沒(méi)有明顯的提高。而袁春英［2］等人也是用

溶膠凝膠法制成的樣品，發(fā)現(xiàn)摻雜含量為1%時(shí)降解效果很好，對(duì)其進(jìn)行熱處理，并且發(fā)現(xiàn)在熱處理溫度為六百度的時(shí)候，降解甲基橙的效率可達(dá)到百分之八十以上，熱處理后效率提高應(yīng)該是由于結(jié)晶度更加完善，而對(duì)于鈷摻雜后二氧化鈦的相變溫度應(yīng)該被降低，茲認(rèn)為可能是由于同時(shí)存在銳鈦礦和金紅石這兩種相，這種混合相的樣品可能促進(jìn)光催化的降解率。至此也說(shuō)明催化劑可能存在選擇性對(duì)于需要降解的有機(jī)物廢液。但是這還有待于進(jìn)一步更加細(xì)致的研究。針對(duì)以降解率提高這一現(xiàn)象對(duì)環(huán)境保護(hù)是很重要的發(fā)現(xiàn)。

4.2 水熱法制備樣品研究

在目前的研究中，很多研究都是有使用水熱法制備摻雜樣品的，但對(duì)于鈷摻雜的樣品卻很少，對(duì)于羅丹明B的染色敏化分解水還是有研究的，Thi Thu Le［7］等人對(duì)其在可見(jiàn)光下分解水產(chǎn)生氫氣和氧氣進(jìn)行了研究，這也說(shuō)明了在國(guó)內(nèi)外鈷摻雜二氧化鈦研究的重要性，要對(duì)其進(jìn)行更多的研究。杜作娟［1］等人用水熱法合成了二氧化鈦納米銳鈦礦，原料是Na2CO3和Ti(SO)4，通過(guò)調(diào)整酸堿度，反應(yīng)后用丙酮和蒸餾水清洗，對(duì)其制作得到的樣品進(jìn)行研究，對(duì)不同的反應(yīng)條件進(jìn)行XRD測(cè)試，明顯的看到衍射峰變細(xì)，至此表明增加反應(yīng)時(shí)間和反應(yīng)溫度可使晶體結(jié)晶度更加完善，這可能會(huì)使光催化性質(zhì)有所加強(qiáng)，以此作為出發(fā)點(diǎn)，茲認(rèn)為鈷摻雜的樣品如果結(jié)晶度更高，分布之均勻，晶體粒子尺寸變小，由于摻雜金屬離子鈷促使晶格膨脹，引起晶體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生畸變，產(chǎn)生氧空位，所以影響光催化的活性以及其降解能力，光催化性質(zhì)會(huì)有所改善。綜上所述水熱法制備樣品前景還是很有吸引力的。

5 總結(jié)

對(duì)于鈷摻雜二氧化鈦的制備方法中，雖然溶膠凝膠法簡(jiǎn)單容易，低溫條件更加方便，但是對(duì)于水熱法其更加具有前景，可制備出粒徑較小的樣品，但是研究者并不知道在水熱反應(yīng)中具體的現(xiàn)象以及反應(yīng)時(shí)的具體機(jī)制理論，并不知道在反應(yīng)中是否發(fā)生中間反應(yīng)等等，對(duì)于二氧化鈦這種氧化物，研究人員們還要更深的挖掘。

［1］杜柞娟，古映瑩.水熱合成銳鈦礦型二氧化鈦［J］.環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2002，32(5)：24 ～25

［2］袁春英，謝英娜.鈷摻雜二氧化鈦光催化劑制備及光催化活性［J］.無(wú)機(jī)鹽工業(yè)，2011，43(11)：31 ～33

［3］簡(jiǎn)麗，張前程.鈷摻雜二氧化鈦的制備及光催化性能的研究［J］.環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2003，26(增刊)：5 ～7

［4］劉秀華.金屬離子摻雜二氧化鈦光催化劑改性研究［D］：［博士學(xué)位論文］.四川：中國(guó)工程物理研究院，2007.

［5］齊娜喬.溶膠凝膠法制備鈷摻雜二氧化鈦型稀磁半導(dǎo)體及其性能研究［D］：［碩士學(xué)位論文］.杭州：浙江大學(xué)材化學(xué)院，2007.

［6］彭翔宇.水熱法合成二氧化鈦納米材料［D］：［碩士學(xué)位論文］.保定：河北大學(xué)光學(xué)工程，2010.