圖4a為透射電鏡10萬倍分辨率下制備鑭鐵光催化劑的表面形貌,可以看出形成的納米顆粒雖然有一定的團聚,但尺寸細小而均勻,比表面積很大,表面能高,形成的納米TiO2晶核為四方晶格結構,完整、飽滿,呈柱狀,說明在500℃下煅燒,就能形成晶型完整穩定的納米TiO2.圖4b為鐵鑭光催化劑的掃描電鏡圖,可以看出制備的納米光催化劑粒徑在水中粒徑分布較小,大約在50 nm,分散較均勻.
2.1.4紫外-可見反射光譜分析
從圖5可以看出,摻雜了鐵鑭的納米光催化劑在300~400 nm處明顯降低了對紫外可見光的反射率,提高了對光能利用的效率,原因是摻雜Fe3+(Fe是多價過渡金屬元素)后,延長電子和空穴的復合時間,提高了活性,同時其比TiO2具有更寬的光吸收波長范圍,能更有效地利用太陽能.而在納米TiO2中摻入稀土離子La3+,由于稀土離子的半徑大于Ti4+,將引起晶格畸變并積累應變能,并在樣品焙燒過程中抑制晶粒長大,使納米半導體粒子的能隙變寬.Fe3+-La3+共摻雜的協同作用引起TiO2光吸收帶的紅移,向可見光區移動了約35 nm,擴展了納米TiO2光譜響應范圍.
2.2不同摻雜量光催化劑光催化性能對比
從圖6可以看出,隨著x(Fe3+)和x(La3+)(表2中)的增加,TiO2對染料的降解率增加;x(Fe3+)=0.05%、x(La3+)=0.05%時,降解率最大;繼續增加,降解率反而下降.原因是摻雜Fe3+離子后,能夠通過捕獲載流子以促進光生載流子的分離,促進光催化反應.但是,Fe3+的氧化還原特性意味著TiO2中可能含有更多作為光生電子和空穴的捕獲位,在高摻雜質量濃度下,會有較多的電子與空穴被捕獲在雜質中心,這使得捕獲的電子/空穴對通過量子隧道效應復合的概率大大增加,抑制了光催化的效率.[7]而改變摻雜La3+量,其最佳值可用摻雜后
表面電荷層厚度來度量.當表面電荷層厚度等于光入射深度時,光生電子和空穴的分離最有效,催化劑光利用效率最高.因此,當x(Fe3+)=0.05%、x(La3+)=0.05%時,其光催化活性最高,1 h后降解率可達到98.9%.
3結論
(1)制備的納米光催化劑平均晶粒為15 nm左右,結晶完整,主晶相為銳鈦礦型.Fe3+-La3+共摻雜引起TiO2晶格的膨脹和畸變,延緩了TiO2晶粒的生長速率,抑制了晶粒大小.另外,在水中粒徑約50 nm,分散均勻.
(2)Fe3+-La3+共摻雜的協同作用引起TiO2光吸收帶的紅移,向可見光區移動了約35 nm,擴展了納米TiO2光譜響應范圍.
(3)Fe3+-La3+共摻雜提高了納米TiO2粒子光催化活性及光催化效率.鐵鑭的摻雜均有一個最佳量,x(Fe3+)=0.05%、x(La3+)=0.05%.鐵鑭摻雜的納米光催化劑對活性染料的催化降解率1 h可達到98.9%.
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