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氮钒硅掺杂TiO_2的表征及其可见光催化性能研究
摘要：
本文通过溶胶-凝胶法制备了氮钒硅掺杂TiO2催化剂，并对其进行表征，包括X射线衍射仪（XRD）、透射电子显微镜（TEM）、UV-Vis漫反射光谱（DRS）、X射线光电子能谱（XPS）等。结果表明，氮钒硅掺杂TiO2的晶相结构与纯TiO2相同，但是显著改变了其表面化学性质和光学吸收性能。同时，进行了可见光催化性能研究，结果表明氮钒硅掺杂TiO2表现出优异的可见光催化性能。
关键词：氮钒硅掺杂TiO2；溶胶-凝胶法；催化剂表征；可见光催化性能
Introduction
二氧化钛(TiO2)是一种广泛应用于光催化、电化学以及染料敏化太阳能电池等领域的材料。然而，由于其光催化性能受紫外线激发的局限性，为了进一步提高TiO2的光催化性能，我们需要对其进行改性。其中一种常见的改性方式是通过掺杂非金属元素来增强其可见光吸收和光催化活性。然而，单一非金属掺杂TiO2的光催化效率有限，故而，掺杂多种元素的TiO2已经成为了改性目标之一。本文采用溶胶-凝胶法合成了氮钒硅掺杂TiO2纳米粒子并对其进行了表征研究。同时，我们还研究了该催化剂的可见光催化性能，并与纯TiO2进行了比较研究，以探讨这种掺杂方式对TiO2催化性能的影响。
Experimental
制备氮钒硅掺杂TiO2催化剂的基本步骤如下：以四丙氧基钛(Ti(OPr)4)为前体，依次向异丙醇中加入水、氧化铵、硅酸乙酯、钒酸及阳离子表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵（CTAB），将体系控制在不同的pH值和温度下固化，然后烘干并在氮气氛中煅烧，得到氮钒硅掺杂TiO2催化剂。使用XRD、TEM、DRS和XPS等技术对催化剂进行了表征。
可见光催化性能评价，我们测试了催化剂在可见光下对甲基橙（MO）溶液的降解率。在等离子光源的刺激下，我们使用紫外-可见光谱仪跟踪分析反应的可见光催化行为。
Resultsanddiscussion
通过XRD及TEM等表征方法，我们对氮钒硅掺杂TiO2催化剂进行了结构分析。结果表明，催化剂的晶相结构与纯TiO2相同。但是，我们发现催化剂表面的Si、V、N元素对晶体结构和颗粒大小有一定的影响。催化剂的平均晶粒大小大约为10～20nm。DRS结果显示，掺杂Si、V和N元素的催化剂对可见光的吸收率比纯TiO2显著提高，表明掺杂改变了催化剂的光学性能。同时，我们使用XPS研究了催化剂表面化学计量比的变化。我们发现，硝酸钒的加入可能会破坏TiO2的结晶，其中V5+、V4+和V3+的存在增加了催化剂的可见光吸收，并提高了光生成电子-空穴对的寿命。XPS结果同时显示，N原子以氧化钛的形式存在于催化剂表面，并且能够与V形成N-V-Ti氧化物，提高了催化剂的电子传输性能。
通过可见光催化降解甲基橙性能评价，我们发现氮钒硅掺杂TiO2对可见光的吸收使其在可见光范围内表现出优异的催化活性。其中，x%SiVW-TiO2(x表示催化剂中加入的Si和V的百分比，Si，V，和W添加量均相等)，其可见光催化活性明显优于0％SiVW-TiO2和1％SiV-TiO2，表明Si、V和W的多元掺杂增强了催化剂的催化性能。
Conclusion
本文采用溶胶-凝胶法制备了氮钒硅掺杂TiO2纳米粒子。通过XRD、TEM、DRS和XPS等表征技术研究了催化剂的结构和表面化学计量比，结果表明多元掺杂改变了催化剂表面化学性质和光学吸收性能。同时利用其对可见光的吸收，我们评定了催化剂在光催化降解甲基橙中的催化效率，结果表明多元掺杂增强了催化剂的可见光催化性能。因此，我们在此建议利用多元掺杂的方法开发出可见光催化性能更高的TiO2光催化剂。