地质职称论文范文：稀土元素对TiO2活性影响
摘要：在紫外光、可见光、太阳光下进行光降解反应，观察不同的样品的光降解效果。紫外光下，所有样品均可发生反应，可见光下未掺杂稀土元素的二氧化钛反应很慢，掺杂了稀土元素的样品反应较快。掺杂稀土元素可以提高二氧化钛的光催化活性与降解速率。掺杂5%的镧元素样品反应速率提高了48%，掺杂了5%的铈元素样品的反应速率提高了36%，说明掺杂镧元素的二氧化钛比掺杂铈元素有更好的催化活性。
关键词：纳米二氧化钛,稀土,亚甲基蓝,光降解,光效率
经济和科技高速的发展给社会和人类带来了组大的变化，同时发展过程中产生的环境问题变得日益严重。环境污染给生态系统带来破坏，也给人类社会造成伤害，使人类生存的环境质量下降，影响人类的生活质量、身体健康和生产活动。目前在全球范围内都不同程度地出现了环境污染问题，具有全球影响的方面有大气环境污染、海洋污染、城市环境问题等。控制和消除环境问题，实现可持续发展是目前的重大课题[1]。
面对环境问题的现实状况，各种环境污染治理技术也应运而生[2]。如何充分利用我国丰富的钛和稀土资源，研发具有优良光催化活性的TiO2及其稀土掺杂改性催化剂，是催化科学和环境科学领域中值得研究的课题。
1.纳米TiO2的稀土元素掺杂机理
稀土元素具有f电子，易产生多电子组态，其氧化物也具有晶型多、吸附选择性强、电子型导电性和热稳定性好等特点[3]。稀土元素掺杂就是利用物理或化学方法，将稀土元素引入TiO2晶格结构从而在其中引入新电荷、形成缺陷或改变晶格类型，进而影响光生电子和空穴的运动状况、调整其分布状态或者改变TiO2的能带结构，最终导致TiO2的光催化活性发生改变。合理的稀土掺杂可以使TiO2光催化剂的吸光波长发生红移、光吸收能力提高、光生电荷复合减少、传递加快、表面缺陷增加、表面吸附加强、粒径减小、焙烧过程向金红石型的转变减缓，从而使光催化反应效果明显改善。
为促进TiO2光催化材料的实用化，必须提高其光催化性能，采用离子掺杂无疑是提高其光催化活性的重要手段。近年来，国内外学者已在这方面作了大量的实验工作[4-5]，但是，对于稀土掺杂对TiO2薄膜光催化性能影响的研究文献还比较少，本文采用水热合成法[6]在普通玻璃上制备了TiO2光催化薄膜，并研究了Ce、La掺杂对TiO2光催化材料相结构和光催化性能的影响。
2.紫外光下膜反应的分析对比
在二氧化钛膜的反应中，只选择在紫外光条件下进行反应。
在做薄膜之前，用电子天平将玻璃片称重，制得薄膜后再称重，得到的重量差就是薄膜上样品的质量。再测量出薄膜的参加反应的部分，从而计算参加反应的样品的量。
在表一中可以得到膜反应的数据，许多条件不同，不能将整个数据进行有效的对比作图。但可以得到掺杂了La3%的样品比掺杂了La5%反应速率还快，根据比反应速率，即单位面积上的化学反应速率，可以按照所得结果，对样品进行对比分析，得到大小关系。反应速率La3%样品薄膜>La5%样品薄膜>Ce5%样品薄膜>La1%样品薄膜>未掺杂稀土薄膜>Ce1%样品薄膜。
以TiO2玻璃薄膜为样品，以亚甲基蓝的光降解为依据，由其最大吸收峰处吸收谱线的变化情况测定了铈、镧掺杂对TiO2薄膜光催化性能的影响。光催化实验结果表明，无论是纯TiO2薄膜，还是掺杂的TiO2薄膜，在紫外光照射下，都可以使亚甲基蓝发生降解反应。而在无催化剂存在时，溶液的吸收光谱基本上没有变化。为准确测试，每次测定时，需不断搅拌紫外光照条件下的溶液。
掺杂适量的稀土元素铈、镧均可提高TiO2薄膜的光催化活性，铈、镧掺杂都有一最佳的掺杂量。少量的掺杂对TiO2薄膜光催化性能提高不显著，较多的掺杂反而降低了TiO2薄膜的光催化活性。
镧掺杂对TiO2薄膜光催化性能的提高，主要是由于掺杂原子引起TiO2薄膜表面结构的变化，由于La3+的离子半径为0.115nm，远大于Ti4+的0.068nm，所以镧离子很难替代钛离子进入二氧化钛晶格形成固溶体。在镧—二氧化钛混合物中，四价的钛离子可替代三价的稀土离子，从而引起电荷的不平衡，为弥补这种电荷的不平衡，TiO2薄膜表面将吸附较多的氢氧根离子，表面氢氧根离子可与光生空穴反应，生成活性羟基。一方面，使光生电子和空穴能够有效地分离，另一方面，生成了较多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[7]。
在的实验中，虽然铈掺杂是以三价离子态引入的，但由于三价的铈离子很容易被氧化，故经过500℃热处理后，在TiO2薄膜内部，铈主要是以四价态的形式存在，即形成CeO2-TiO2二元系统。由于四价态的铈离子不存在上述电荷的不平衡，因而不会引起TiO2薄膜表面结构的变化。其对TiO2薄膜光催化活性的提高则主要是由于成为了光生电子的捕获剂。由于Ce4+/Ce3+还原反应所具有的势能级为1.8V，在紫外光照射下，四价态的铈离子很容易捕获光生电子生成三价态的铈离子，起到光生电子捕获剂的作用，电子被铈离子捕获后，难与空穴再结合，从而有效地促进了光生电子与空穴的分离，提高了TiO2的光催化活性。此外，CeO2-TiO2二元薄膜还能有效的吸收紫外光，其对紫外光的强吸收能力很可能影响到TiO2的光催化反应，这些还有待于进一步的实验证实[8]。
需进一步指出的是，铈、镧元素掺杂降低了TiO2的晶粒尺寸，晶粒尺寸的量子化效应增强，也可能是其催化活性提高的原因之一。
由于稀土元素氧化物的带隙能较大，紫外光照射下不会引起光催化反应，当稀土元素掺杂量过多时，过量的稀土元素就会沉积在TiO2表面阻碍了光催化反应的进行，从而引起TiO2薄膜光催化活性的降低。
3.结论
1、适量的稀土元素掺杂有利于提高二氧化钛光催化活性。在一定范围内，催化活性随着稀土量得升高而增大。
2、未掺杂稀土的二氧化钛光催化反应的光源是紫外光及能量更大波长更短的光，太阳光也可以使反应很好的发生。掺杂稀土元素后，在可见光下就可以发生光催化降解反应。
3、镧元素掺杂比铈元素掺杂有更能提高二氧化钛的催化活性。
4、当亚甲基蓝溶液pH=1时反应速率达到最快。
4.今后工作与展望
二氧化钛光催化技术具有高效、工艺简单、无二次污染、清洁等诸多优点，预计在以下领域有机废水治理得到发展应用：
1.印染废水处理：印染废水具有色度高、可生化性差、环境中难降解化学耗氧量较高等特点，运用常规生化处理运行费用高且费时，效果差，使用光催化技术可在短时间内(几个小时)取得较好的去除效率。
2.特别适合于小规模生产企业有机废水处理，尤其是乡镇企业。乡镇企业点多面广，分散，规模小，生产有机废水多数未经任何处理直接外排，成为环保工作的又一新课题。使用光催化技术可望在乡镇企业有机废水处理方面有所突破。
纳米二氧化钛光催化技术处理有机废水，有着非常诱人的应用前景，但目前的研究多数限于实验室研究，在有机废水处理方面，主要有以下几个发展方向：
(1)制备复合型、光敏化二氧化钛高效光催化剂。二氧化钛仅能吸收<387nm紫外线(约占太阳光能的1%)对太阳能的利用率较低，制备带隙能更低，能利用可
见光的复合型或光敏化高效二氧化钛催化剂，将使这一技术更经济对太阳光能利用更充分，容易进行技术推广。
(2)探索合适的载体或固定催化剂的方法。积极寻找固定纳米二氧化钛载体，将吸附、氧化分解结合起来，克服二氧化钛催化剂悬浮相氧化中存在的催化剂回收困难、易聚沉、易损失等缺点，是这一技术走向实用化的关键。
(3)高效、多功能、实用二氧化钛光催化水处理装置设计。具有曝气、光照(或太阳光)二氧化钛固定、水循环等多功能的反应装置研制。将解决光催化技术的实用化。可以预计，随着光催化理论的不断深入，有机物结构和光催化效率的关系的阐明，以及以上三方面工作的突破，不远的将来在有机废水处理上，又多了一项经济实用、高效、无二次污染的新技术。
参考文献：
[1]宁成云,李丹,郑华德,谭帼馨,王玉强,马强.纯钛表面二氧化钛纳米管阵列结构特征的研究.稀有金属材料与工程.2010(21)：350-352.
[2]银董红,邓吨英,陈恩伟,尹笃林.溶胶-凝胶法制备二氧化钛薄膜的研究进展.工业催化.2004(1)：1-6.
本文选自核心级期刊《矿床地质》。《矿床地质》为专业学术性刊物，刊载矿床地质基础理论、矿床地质特征及有关的岩石学、矿物学、区域地质学、成矿学、地球化学和同位素地质学等方面的研究成果、新技术新方法、问题讨论、消息报道等。读者对象为从事矿床地质勘察、矿山开发等工作的生产、科研人员和高校相关专业的师生。
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