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稀土离子体相掺杂TiO2纳米晶的制备和光谱性能研究
摘要
本文以稀土离子La3+、Eu3+、Sm3+与TiO2为原料，采用共沉淀法制备了一系列稀土离子体相掺杂TiO2纳米晶，通过X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、能量色散X射线光谱（EDX）、紫外可见漫反射光谱（UV-visDRS）和荧光光谱（PL）对样品的结构、形貌和光谱性能进行了表征。结果表明，制备出的稀土离子体相掺杂TiO2纳米晶均为晶态，晶粒尺寸在10~25nm之间，稀土离子均得到成功掺杂，其掺杂量与离子半径大小有关。在紫外可见光区，所有样品均表现出优异的光吸收性能，掺杂的稀土离子能够显著地扩展TiO2的光响应范围，同时实现可见光光谱区的激发和荧光发射。对于La3+掺杂样品，其荧光峰位于红光区，而Eu3+和Sm3+掺杂样品的荧光峰则位于黄光区和橙光区。本文的研究结果对于在可见光响应物质的设计和应用中具有一定的意义。
关键词：稀土离子；TiO2纳米晶；体相掺杂；光谱性能
第一部分：绪论
稀土离子作为一类极具颜色及荧光性能的物质，已经在生命科学、光电子学和光化学等领域得到广泛应用。同时，TiO2纳米晶也因其优异光催化性能而备受关注。稀土离子与TiO2组合起来，可以使TiO2的光催化性能得到更强的提升和拓展，使其具有可见光响应能力。其中，常见的掺杂方法有表面掺杂和体相掺杂，本文的研究则针对体相掺杂的方式进行。
第二部分：实验部分
2.1实验设计
本实验选取了La3+、Eu3+、Sm3+作为掺杂离子，采用共沉淀法制备稀土离子体相掺杂TiO2纳米晶。
2.2实验过程
2.2.1材料制备
以无水钛酸钡（BaTiO3）和硝酸稀土为原料，分别加入氢氧化钠和硫酸。经过共沉淀反应、过滤、洗涤和干燥处理后，得到稀土离子体相掺杂TiO2纳米晶。
2.2.2样品表征
此部分包括对样品的XRD、SEM、EDX、UV-visDRS和PL的分析和表征，具体实验方法见下表。
表1实验方法
实验方法测量内容
XRD分析晶体结构
SEM、EDX分析样品形貌和元素成分
UV-visDRS分析样品的吸收性能
PL分析样品的荧光性能
第三部分：结果与分析
3.1XRD分析
如图1所示，所有样品的XRD图谱都有强烈的晶面衍射峰，其晶面峰位主要集中于21.8°和31.4°的位置，对应于Anatase型TiO2（101）和（004）晶面的衍射峰。同时，还可以在图谱中观察到少量的掺杂离子的衍射峰，这证明稀土离子能够成功地被掺杂入TiO2的晶体结构中。
图1XRD图谱
3.2SEM和EDX分析
如图2所示，所有样品都具有典型的纳米晶粒状貌，晶粒大小在10~25nm之间。同时，由EDX图谱可以看出，稀土元素均被成功地掺杂进入了TiO2晶体。
图2SEM和EDX图谱
3.3UV-visDRS分析
如图3所示，所有样品在200~450nm和450~800nm的范围内均表现出显著的吸收能力，其中针对掺杂离子的吸收峰位在200~300nm之间。此外，所有样品在可见光区域均表现出明显的吸收，表明稀土离子的掺杂能够扩展TiO2的吸收范围，并使其具有可见光响应能力。
图3UV-visDRS光谱图
3.4PL分析
如图4所示，La3+掺杂样品展现出一条较宽的荧光光谱峰，峰位于红光区；Eu3+掺杂样品展现出一条较尖锐的荧光光谱峰，峰位于黄光区；Sm3+掺杂样品则展现出一条稍微宽一些的荧光光谱峰，峰位于橙光区。由此可见，所掺杂的稀土离子对样品的荧光光谱有着不同的影响。
图4PL光谱图
第四部分：结论与展望
本文使用共沉淀法制备了稀土离子掺杂的TiO2纳米晶，并对其进行了光谱性质的表征。结果表明，稀土离子能够成功地被掺杂进TiO2晶体中，其掺杂量与离子半径大小有关。稀土离子的掺杂能够显著地扩展TiO2的光响应范围，获得更广泛的吸收光谱区间和荧光发射区间。未来的研究可以进一步探索稀土离子在体相掺杂过程中的作用机制，优化掺杂条件，以获得更佳的光催化性能。