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钒掺杂二氧化钛薄膜制备与材料特性分析
时间:2016-04-15 10:12        类别:行业知识

为一种重要的半导体光催化材料,二氧化钛有着催化活性高、价格低廉、无毒和稳定性好等特点,在空气净化、自清洁和废水处理等多个领域已取得较好应用。相对于粉体悬浮体系,二氧化钛薄膜材料具有无需二次分离等特点,工业应用前景更为宽广,近年来受到了广泛重视。另一方面,由于二氧化钛禁带宽度较宽,对太阳光的吸收仅限于紫外区,因此太阳光利用率不足百分之三;而且光生载流子易于发生复合而降低量子产率,制约着光催化效率。为此,国内外学者对二氧化钛掺杂改性技术进行了大量研究,主要集中于过渡金属离子、稀土元素和非金属元素等掺杂体系,被认为是扩展二氧化钛光谱吸收、提高催化效率的有效手段。

最近几年,国内外研究人员发现采用钒掺杂能够显著改善二氧化钛的光吸收特性。然而,因实验方法和制备手段不尽相同,钒掺杂对二氧化钛材料特性的影响机制还存在较大争议。随着新的实验现象不断被发现,二氧化钛掺杂改性技术的理论和应用研究有待进一步深入。现由研究人员考察了钒掺杂对二氧化钛薄膜晶体结构和光谱吸收特性影响,证实了钒在二氧化钛中的物化状态,从理论角度分析钒掺杂对二氧化钛薄膜材料光谱吸收红移特性的作用机制,并结合晶界势垒模型讨论了材料在光催化领域的应用前景。

采用溶胶-凝胶技术制备了钒掺杂二氧化钛薄膜,钒掺杂并未引起晶型结构转变,在一定程度上促进了锐钛矿相晶面的择优取向生长,并使二氧化钛禁带宽度变窄,吸收带边红移至可见光范围。研究发现,钒掺杂二氧化钛薄膜中钒由前驱物中的三价转变为四价和五价两种价态,对锐钛矿型二氧化钛半导体而言属于深能级掺杂,一定条件下可扩展为杂质能带与二氧化钛价带顶相连,使其价带顶向禁带延伸而引起禁带宽度变窄效应,从而拓宽了光谱响应。结合半导体晶界势垒模型分析认为,钒掺杂引起的深杂质能级在晶界处易于俘获光生空穴,从而降低光生载流子的复合,有利于拓展其在光催化领域的用途。

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