氮摻雜二氧化鈦光催化活性的研究

盧宇飛

【摘要】氮摻雜二氧化鈦雖然具有可見光光催化活性，但其可見光光催化活性效果仍不能達(dá)到理想效果，同時(shí)氮摻雜可能影響二氧化鈦的紫外光催化活性。本文綜述了提高氮摻雜二氧化鈦光催化活性方面的研究，并提出今后值得關(guān)注和研究的方向。

【關(guān)鍵詞】二氧化鈦；氮摻雜；光催化活性

中圖分類號(hào)：TB38文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào)1006-0278（2015）07-160-01

目前光催化技術(shù)已日益受到重視，成為環(huán)境污染治理的主要方法。污染物直接利用太陽能，在常溫常壓下就可轉(zhuǎn)化成H2O和CO2等無污染的小分子無機(jī)物是其主要優(yōu)勢(shì)。由于TiO2在可見光下不具有光催化活性，這會(huì)影響其對(duì)太陽光的利用率，因此目前的研究熱點(diǎn)是提高TiO2的光催化活性使其在可見光范圍內(nèi)都具有一定的催化性能。

一、提高N摻雜TiO2活性研究

（一）N摻雜對(duì)TiO2紫外光光催化活性的影響

Ghicov等對(duì)TiO2納米管進(jìn)行注入N處理后，TiO2銳鈦礦結(jié)構(gòu)變?yōu)闊o定形結(jié)構(gòu)，使紫外光下的光電效率大大降低，但是再經(jīng)過熱處理后，晶格恢復(fù)為銳鈦礦型，N-TiO2納米管在紫外光下的光電效率高于未摻雜TiO2納米管的，說明N摻雜沒有降低紫外光光催化活性，N摻雜對(duì)TiO2晶格有很大的影響。

N摻雜對(duì)TiO2的結(jié)構(gòu)和表面狀態(tài)有很大的影響，如：采用溶膠——凝膠法時(shí)，N摻雜對(duì)TiO2煅燒時(shí)的結(jié)晶過程有明顯影響，對(duì)表面有機(jī)殘余物也有影響；用銳鈦礦TiO2氣相滲入法制備N-TiO2時(shí)，比表面積會(huì)減小等。N摻雜的這些效應(yīng)必然也影響TiO2的光催化活性，而且這些效應(yīng)又與制備方法密切相關(guān)。但是，影響N-TiO2紫外光光催化活性的原因還有待進(jìn)一步研究。

（二）金屬修飾N-TiO2

采用貴金屬對(duì)N-TiO2進(jìn)行表面修飾，可抑制光生電子和空穴的復(fù)合，使其有效分離。當(dāng)貴金屬沉積或摻雜在TiO2上，由于貴金屬的Feimi能級(jí)較低，TiO2導(dǎo)帶電子將有效地轉(zhuǎn)移，使載流子重新分布，形成Schottky勢(shì)壘，成為電子俘獲陷阱，從而促進(jìn)電子與空穴的有效分離和界面的電子遷移。

Zhang等研究N-Ni共摻TiO2的結(jié)果表明：Ni原子以Ni2O3形式存在，分散在TiO2表面，抑制光生電子——空穴對(duì)的再結(jié)合，提高光子效率，進(jìn)而提高可見光光催化能力，認(rèn)為光催化能力的提高系N、Ni共摻產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)所致。

金屬對(duì)N-TiO2的修飾與合成工藝密切相關(guān)，即與金屬在N-TiO2中的狀態(tài)、分布等密切相關(guān)。

（三）N與其他非金屬共摻

Lin等研究P–N共摻TiO2的結(jié)果表明：N或P摻雜拓寬TiO2的可見光響應(yīng)，只有N摻雜時(shí)，其可見光光催化活性有限；P摻雜TiO2的光催化活性則高于N摻雜的；P-N共摻后，可見光光催化活性進(jìn)一步提高。In等研究結(jié)果表明：B-N共摻TiO2的可見光催化活性與單獨(dú)的同濃度B摻雜的相似，沒有出現(xiàn)協(xié)同效應(yīng)。Balek等研究結(jié)果表明：F-N共摻TiO2具有較高的光催化活性。以上研究表明，其他非金屬元素與氮共摻，都有一定效果，但并不都產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，且有些研究并沒有分析清楚共摻后的光催化活性主要是由N引起的，還是由其他元素引起的。

（四）N-TiO2納米管

在N摻雜TiO2粉體的研究中，N-TiO2主要呈顆粒狀。近年來，為了獲得高催化活性的N-TiO2，制備其他形態(tài)的NTiO2，如N-TiO2納米管及介孔N-TiO2等。納米管具有高的比表面積，能增加電荷載流子的移位，可提高光催化反應(yīng)效率。

（五）銳鈦礦N-TiO2與其他TiO2相混合

P25催化劑是銳鈦礦和金紅石的純TiO2混合物，由于光生電子–空穴的有效分離使其顯示出可見光光催化活性。

此外，還有研究用來提高N-TiO2的光催化活性，如與碳納米管復(fù)合及進(jìn)行敏化處理等。目前N-TiO2制備的方法很多，不同工藝制備的N-TiO2的N摻雜濃度、表面有機(jī)殘余物、顆粒間的團(tuán)聚情況差別很大。制備工藝的選擇及優(yōu)化也應(yīng)是提高光催化性能的有效方法，同時(shí)也助于進(jìn)一步深入研究N-TiO2可見光活性的機(jī)理。

二、結(jié)語

N-TiO2的光催化活性還有很大的局限性，提高可見光催化活性、改善紫外光催化活性方面的研究已經(jīng)有很多，但由于目前還沒有統(tǒng)一的TiO2光催化活性評(píng)價(jià)體系，這些方法的效果難以對(duì)比，難以做出準(zhǔn)確評(píng)價(jià)。進(jìn)一步提高N-TiO2的可見光催化活性、改善紫外光催化活性應(yīng)是今后該材料研究的重點(diǎn)問題之一。TiO2的光催化過程非常復(fù)雜，采用不同評(píng)價(jià)體系獲得的光催化活性結(jié)果難以進(jìn)行對(duì)比，阻礙了N-TiO2理論和應(yīng)用的研究，因此應(yīng)盡快研究建立一個(gè)被廣泛認(rèn)可的光催化活性評(píng)價(jià)體系，才更有利于彼此研究結(jié)果的交流和比較，才更有利于N-TiO2及其他TiO2基催化材料研究的進(jìn)一步深入。

參考文獻(xiàn)：

[1]GHICOV A， MACAK J M， TSUCHIYA H， et al. Ion implantation and annealing for an efficient N-doping of TiO 2 nanotubes [J]. Nano Lett， 2006，6（5）：1080-1082.

[2]LIN L， ZHENG R Y， XIE J L， et al. Synthesis and characterization ofphosphorandnitrogen co-doped titania[J].Appl Catal B： Environ， 2007（76）：196-202.