氮掺杂二氧化钛光催化活性的研究

卢宇飞

【摘要】氮掺杂二氧化钛虽然具有可见光光催化活性，但其可见光光催化活性效果仍不能达到理想效果，同时氮掺杂可能影响二氧化钛的紫外光催化活性。本文综述了提高氮掺杂二氧化钛光催化活性方面的研究，并提出今后值得关注和研究的方向。

【关键词】二氧化钛；氮掺杂；光催化活性

中图分类号：TB38文献标识码A文章编号1006-0278（2015）07-160-01

目前光催化技术已日益受到重视，成为环境污染治理的主要方法。污染物直接利用太阳能，在常温常压下就可转化成H2O和CO2等无污染的小分子无机物是其主要优势。由于TiO2在可见光下不具有光催化活性，这会影响其对太阳光的利用率，因此目前的研究热点是提高TiO2的光催化活性使其在可见光范围内都具有一定的催化性能。

一、提高N掺杂TiO2活性研究

（一）N掺杂对TiO2紫外光光催化活性的影响

Ghicov等对TiO2纳米管进行注入N处理后，TiO2锐钛矿结构变为无定形结构，使紫外光下的光电效率大大降低，但是再经过热处理后，晶格恢复为锐钛矿型，N-TiO2纳米管在紫外光下的光电效率高于未掺杂TiO2纳米管的，说明N掺杂没有降低紫外光光催化活性，N掺杂对TiO2晶格有很大的影响。

N掺杂对TiO2的结构和表面状态有很大的影响，如：采用溶胶——凝胶法时，N掺杂对TiO2煅烧时的结晶过程有明显影响，对表面有机残余物也有影响；用锐钛矿TiO2气相渗入法制备N-TiO2时，比表面积会减小等。N掺杂的这些效应必然也影响TiO2的光催化活性，而且这些效应又与制备方法密切相关。但是，影响N-TiO2紫外光光催化活性的原因还有待进一步研究。

（二）金属修饰N-TiO2

采用贵金属对N-TiO2进行表面修饰，可抑制光生电子和空穴的复合，使其有效分离。当贵金属沉积或掺杂在TiO2上，由于贵金属的Feimi能级较低，TiO2导带电子将有效地转移，使载流子重新分布，形成Schottky势垒，成为电子俘获陷阱，从而促进电子与空穴的有效分离和界面的电子迁移。

Zhang等研究N-Ni共掺TiO2的结果表明：Ni原子以Ni2O3形式存在，分散在TiO2表面，抑制光生电子——空穴对的再结合，提高光子效率，进而提高可见光光催化能力，认为光催化能力的提高系N、Ni共掺产生协同效应所致。

金属对N-TiO2的修饰与合成工艺密切相关，即与金属在N-TiO2中的状态、分布等密切相关。

（三）N与其他非金属共掺

Lin等研究P–N共掺TiO2的结果表明：N或P掺杂拓宽TiO2的可见光响应，只有N掺杂时，其可见光光催化活性有限；P掺杂TiO2的光催化活性则高于N掺杂的；P-N共掺后，可见光光催化活性进一步提高。In等研究结果表明：B-N共掺TiO2的可见光催化活性与单独的同浓度B掺杂的相似，没有出现协同效应。Balek等研究结果表明：F-N共掺TiO2具有较高的光催化活性。以上研究表明，其他非金属元素与氮共掺，都有一定效果，但并不都产生协同效应，且有些研究并没有分析清楚共掺后的光催化活性主要是由N引起的，还是由其他元素引起的。

（四）N-TiO2纳米管

在N掺杂TiO2粉体的研究中，N-TiO2主要呈颗粒状。近年来，为了获得高催化活性的N-TiO2，制备其他形态的NTiO2，如N-TiO2纳米管及介孔N-TiO2等。纳米管具有高的比表面积，能增加电荷载流子的移位，可提高光催化反应效率。

（五）锐钛矿N-TiO2与其他TiO2相混合

P25催化剂是锐钛矿和金红石的纯TiO2混合物，由于光生电子–空穴的有效分离使其显示出可見光光催化活性。

此外，还有研究用来提高N-TiO2的光催化活性，如与碳纳米管复合及进行敏化处理等。目前N-TiO2制备的方法很多，不同工艺制备的N-TiO2的N掺杂浓度、表面有机残余物、颗粒间的团聚情况差别很大。制备工艺的选择及优化也应是提高光催化性能的有效方法，同时也助于进一步深入研究N-TiO2可见光活性的机理。

二、结语

N-TiO2的光催化活性还有很大的局限性，提高可见光催化活性、改善紫外光催化活性方面的研究已经有很多，但由于目前还没有统一的TiO2光催化活性评价体系，这些方法的效果难以对比，难以做出准确评价。进一步提高N-TiO2的可见光催化活性、改善紫外光催化活性应是今后该材料研究的重点问题之一。TiO2的光催化过程非常复杂，采用不同评价体系获得的光催化活性结果难以进行对比，阻碍了N-TiO2理论和应用的研究，因此应尽快研究建立一个被广泛认可的光催化活性评价体系，才更有利于彼此研究结果的交流和比较，才更有利于N-TiO2及其他TiO2基催化材料研究的进一步深入。

参考文献：

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