研究论文
由于 离 子 Ce
3 +
和 Ce
4 +
的 半 径 分 别 为 0
1103、
0
1092 nm, 与 Ti
4 +
( 0
1065 nm ) 很 相 近 , Ce
3 +
和
Ce
4 +
较容易进入 TiO
2
结晶格中取代 Ti
4 +
, 从而可以
抑制 TiO
2
微晶的增长 。
图
1
不同配比氮铈共掺杂介孔
TiO
2
的
XRD
图
2
1112 TEM分析
样品 N (2% ) Ce (2% ) TiO
2
的 TEM 照片及相应电
子衍射图谱如图 2所示 。从图 2中可以看出 , 样品为
蜂窝状介孔结构 , 平均孔径约为 7 ～10 nm。Ce
3 +
离
子的掺杂抑制介孔 TiO
2
在高温发生的烧结 , 使介孔
TiO
2
的热稳定性大大提高 , 而且蜂窝状结构将极大
地增大催化剂的有效比表面积 , 既可使反应物的吸附
量大大增加 , 也可使紫外光在表面上经过多次反射 ,
提高光的利用率 , 有利于光催化反应进行 。通过电子
衍射图像可以清楚地看到分别为锐钛矿型的晶面衍射
环 , 表明蜂窝状结构的壁是由锐钛矿晶型构成的晶体
结构
[ 9 ]
, 晶体的结晶度较好 , 这与 XRD 图像分析的
结果一致 。
图
2
N ( 2% ) Ce ( 2% ) TiO
2
的
TEM
照片及相应电子衍射图谱
2
1113 FT2IR分析
图 3为氮铈共掺杂介孔 TiO
2
和纯 TiO
2
在 400℃
焙烧后的 FT
2IR图。465和 501 cm
- 1
处的吸收峰分别
是由 TiO
2
晶格中 Ti—O —Ti键和 Ti—O —Ce 键不同
对称性的伸缩振动和弯曲振动引起的
[ 10 ]
。 1625 和
1616 cm
- 1
处的弱吸收峰为吸附的水分子中 H —O —
H 的弯曲振动谱带 , 而 3356 和 3238 cm
- 1
附近的弱
宽带吸收则为水分子或表面羟基 O —H 的伸缩振动
引起的 , 这两处弱吸收表明 , 在纯 TiO
2
或氮铈共掺
杂介孔 TiO
2
表面存在吸附 H
2
O 或表面羟基
[ 11 ]
。在
FT
2IR谱图中没有出现表面活性剂 CTAB 和 B rij 98
的特征峰 (醚键 和碳 碳键 ) , 这说明在 400℃的焙
烧温度下 , 表面活性剂能够被完全去除 。
图
3
掺杂
TiO
2
和纯
TiO
2
在
400
℃焙烧后的
FT
2
IR
谱图
2
12 光催化降解实验
图 4是以不同掺杂配比制得的氮铈共掺杂介孔
TiO
2
光催化剂降解酸性造纸废水的活性比较 。改进
的光催化活性可归因于氮铈对介孔 TiO
2
的共同影响 ,
氮掺杂缩小了 TiO
2
的带隙 , 提高光催化效果
[ 12 ]
, 铈
因其不同价态和特殊的 4
f
电子层 , 在反应中充当电
子陷阱的作用 。对于 N (
x
) Ce (
y
) TiO
2
光催化剂 , 在
n
(Ce) ∶
n
( TiO
2
) 较 低 时 只 有 一 个 晶 相
(锐 钛 矿 型
TiO
2
) , 并且铈含量与催化活性之间的关系服从过渡
金属离子掺杂机制 。当 Ce
3 +
的掺杂量为 2 %时 , 催
化活性达到最佳 , 一方面是因为在 TiO
2
表面 , 聚集
了大量的 CeO
2
微晶和三元氧化物 , 这可能提高光催
化活性
[ 8 ]
; 另一方面 , 掺杂适量 Ce
3 +
会
使催化剂的光生电子和空穴有效地分离 ,
而且生成较多具有强氧化性的活性羟基
参与光催化氧化反应 , 从而有效地提高
了光 催 化 性 能
[ 13 ]
。当 增 加
n
( Ce ) ∶
n
( TiO
2
)时 , 催化活性有小幅下降 , 这是
因为过量的稀土元素会沉积在 TiO
2
表
面 , 阻碍光催化反应的进行 , 从而降低
催化剂的光催化活性 。另外 , 阳离子型
(CTAB ) 和非离子型 (B rij 98 ) 表面活
性剂复配使用时 , 可产生协同作用 , 使
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