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TiO2/CeO2复合材料的合成及其光电性能研究

第一章绪论

1.1研究的背景

纳米材料在电子学、光学、化工陶瓷、生物和医药等领域应用广泛，其表面效应、体积效应、尺寸效应和宏观隧穿效应也引起了国内外许多科学家们的关注。而且自从1972年外国科学家Fujishima[1]发现在光电池中TiO2单晶光可以分解水后，纳米TiO2的光催化性能也成为了人们关注的热点。现在制备纳米二氧化钛的工艺技术日渐趋向成熟，并进入了可以工业化批量生产的阶段。但还是存在一些的缺陷，因此限制了它在光催化性能在工程上的应用。为此，人们进行了大量的研究，比如采用与其他化学物质复合的方法，或者掺杂其他粒子等方法来制备材料，最终成功的制备了不需紫外光照就能杀菌的纳米TiO2复合微粉，在此领域取得了一定的进展。

1.2研究的意义

近年来，水处理、空气净化、阳光利用是光化学领域中非常热门的研究课题，其中二氧化钛起着重要的作用。

TiO2是一种在紫外光照的激发下能够产生一定数量的电子空穴对，并且具有良好的光学、电传导性质的n型半导体。主要的问题在于TiO2的禁带较宽，导致它只能利用太阳光中的大约百分之5的紫外光，且光生载流子的复合率也比较高。因此，我们需要采取适当的方法来对它进行改性，让他的性能更加的优良，比如掺杂其他元素来减小它的宽频带隙。CeO2对光催化材料能起到一定的调变作用，因此本文主要是研究如何通过将CeO2与TiO2一起复合来促进TiO2对可见光区的吸收，但是至今为止，对TiO2/CeO2复合材料的研究还是比较少的。

1.3研究的主要内容

本文主要了解了TiO2和CeO2两种纳米材料的基本性质，并依据TiO2/CeO2复合材料的制备方法，对其光电性能和微观结构分析与表征进行研究综述，同时对TiO2/CeO2复合材料的应用和研究前景提出了展望。

第二章研究综述

2.1TiO2纳米材料的基本性质

纳米TiO2有锐钛矿、板钛矿和金红石三种矿物质结构，其结构示意图如图2.1所示。但目前应用最多的是锐钛矿型和金红石型，这两种都属于四方晶系。前者密度较小，电子迁移率偏高，介电常数也比较低。后者结构更加的致密，相比之下硬度更硬，折光率和介电常数也更高。而板钛矿型属于斜方晶系，其晶体结构并不稳定。此外，纳米

TiO2还具有其它物理性质，其物理性质如表2.1所示。

图2.1TiO2不同晶型的结构图；(a)金红石型；(b)锐钛矿型；(c)板钛矿型表2.1TiO2三种晶型的基本性质

晶型

晶型

板钛矿

锐钛矿

金红石

晶系

斜方

四方

四方

晶胞常数/(10-10m)

a=5.44

b=9017

c=5.14

a=3.73

c=9.37

a=4.59

c=2.96

密度/(g·cm-3)

4.0~4.23

3.87

4.25

模式硬度

5

~

6

~

6

5

6

折射率

2.58~2.741

2.493~2.554

2.616~2.903

转化温度/(℃)

650

915

介电常数/(室温，1MHz)

78

31

89

介电常数温度系数/(10-6·℃)

-800

线膨胀系数/(10-6·℃)

14.50~22.0

4.68~8.14

8.14~9.19

介电损耗/10-4

3

~

5

2.2CeO2纳米材料的基本性质

稀土氧化物CeO2主要用作制备陶瓷、发光材料等，而且在光催化过程中，掺杂CeO2可以使催化剂的氧储备和转移的能力加强，从而提高其催化氧化活性。在CeO2晶格中扩散速度快的氧离子可以与晶格外的氧分子进行等价交换。这类氧化物的数量很少。CeO2在近紫外光或紫外光处的光吸收能力得到提高，而Ce4+和Ce3+等不同的Ce价键可以改善CeO2的电子转移特性。

CeO2呈立方萤石结构，其中铈原子按照面心立方结构紧密排列，O原子按照简单立方结构紧密排列，氧原子位于铈原子次晶格所形成的四面体的中心位置。（其结构示意图如图2.2）。并且铈的最外层电子轨道壳层中的电子并没有完全填充满，所以铈的氧化物会呈现出很多光学、电学和磁方面的性质。

图2.2CeO2立方萤石结构

2.3TiO2/CeO2复合材料的制备方法

2.3.1溶胶-凝胶法

如下表2.2中总结了用于制备二氧化钛和Ce/TiO2和Hg0测量的化学试剂的纯度和制造商。采用溶胶-凝胶法制备了氧化Hg0的光热催化剂。它们是以异丙醇钛、异丙醇和醋酸为前驱体制备的。异丙醇钛(20mL)溶于异丙醇(40mL)和醋酸(40mL)的混合物中，并在室温下剧烈搅拌。反应10h后，向溶液中加入60mL去离子水。溶胶在65℃下时效形成凝胶。所得湿凝胶在105℃下干燥10h，最后在500℃下煅烧3h，得到光热催化剂。将二氧化钛冷