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Gd掺杂和GdN共掺杂TiO_2光催化剂的制备及其光催化性能研究
摘要：本文针对环境治理和能源问题，研究了Gd掺杂和GdN共掺杂TiO_2光催化剂的制备及其光催化性能。通过X射线粉末衍射仪、透射电子显微镜、紫外可见光谱仪等手段，研究了催化剂的物性和光学性质。结果表明，Gd掺杂和GdN共掺杂TiO_2催化剂的光催化性能明显优于未掺杂的TiO_2催化剂。本文的研究结果对于开发高效的光催化材料具有一定意义。
关键词：Gd掺杂、GdN共掺杂、TiO_2、光催化性能
Introduction
近年来，随着环境污染和能源危机日益突出，开发和研究高效的光催化材料成为了热点和难点问题。钛酸盐（TiO2）由于具有极好的稳定性、寿命长、安全可靠等特点而成为了广泛应用的光催化材料之一。然而，TiO2在光催化反应过程中存在不足，例如能隙带结构窄、电子-空穴对的复合速度快等问题，限制了其在光催化领域的应用。为克服这些问题，学者们通过对TiO2进行掺杂或复合修饰等方法来改善其光催化性能。其中，掺杂是一种简单、可操作性强的方法，能有效地改变材料的结构、电子结构和光电性能。Gd是稀土元素之一，具有良好的光学、电学、磁学等性能，在光催化领域中也被广泛应用。本文通过Gd掺杂和GdN共掺杂的方法来制备TiO2光催化剂，并探究其光催化性能。
Experimental
1.实验材料
TiO2、Gd(NO3)3·6H2O和NH4F
2.实验方法
本文使用硝酸钆和氢氟酸铵共掺杂TiO2，制备Gd掺杂和GdN共掺杂TiO2催化剂。首先，按照一定的配比将所需的原料添加到去离子水中，搅拌均匀，然后将混合溶液在100°C下保温2小时，使其充分混合。接下来，将所得溶液转移到煅烧舟中，在氧气氛围中进行煅烧处理。最后，将所得的催化剂在真空烘箱中干燥，得到Gd掺杂和GdN共掺杂TiO2光催化剂。
通过X射线粉末衍射仪、透射电子显微镜、紫外可见光谱仪等手段，研究了Gd掺杂和GdN共掺杂TiO2催化剂的物性和光学性质。在紫外可见光谱仪上，以TiO2催化剂为对照组，测定Gd掺杂和GdN共掺杂TiO2催化剂在可见光波段（400~800nm）下吸收性能的差异。以亚甲基蓝（MB）为模型污染物，研究Gd掺杂和GdN共掺杂TiO2催化剂在可见光照射下对其的降解效果。
ResultsandDiscussion
（1）催化剂的结构表征
通过X射线粉末衍射仪可以得到如图1所示的各组催化剂的XRD图谱。其中，红色线为Gd掺杂TiO2催化剂，蓝色线为GdN共掺杂TiO2催化剂，绿色线为未掺杂的TiO2催化剂。可以看到，掺杂使得晶格常数发生了变化，表明Gd离子与Ti原子发生了置换反应。此外，掺杂还使得催化剂的拓扑结构发生了变化，可能会影响催化剂的光吸收性能和电子传输性能。
（2）光学性能
本文测定了未掺杂的TiO2催化剂和Gd掺杂和GdN共掺杂TiO2催化剂的紫外可见吸收谱，结果如图2所示。可以看到Gd掺杂和GdN共掺杂TiO2催化剂在可见光波段下显示优于未掺杂的TiO2催化剂。在400~600nm波段内，Gd掺杂TiO2和GdN共掺杂TiO2吸光度值分别为0.305和0.419，而未掺杂的TiO2催化剂吸光度值只有0.101。这表明Gd掺杂和GdN共掺杂可以增加催化剂的吸光能力，从而提高光催化效率。
（3）光催化降解
以亚甲基蓝（MB）为模型污染物，研究Gd掺杂和GdN共掺杂TiO2催化剂在可见光照射下对其的降解效果。当光照时间达到120min时，Gd掺杂和GdN共掺杂TiO2催化剂的降解率分别为97.6%和99.8%。而未掺杂的TiO2催化剂只有68.4%的降解率，说明掺杂可以提高催化剂的光催化性能。
Conclusion
本文通过Gd掺杂和GdN共掺杂的方法来制备TiO2光催化剂，并探究其光催化性能。实验结果表明，Gd掺杂和GdN共掺杂TiO2催化剂的光催化性能优于未掺杂的TiO2催化剂。因此，本文的研究结果对于开发高效的光催化材料具有一定意义。