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稀土掺杂TiO_2纳米材料的制备及其光催化性质的研究
导论
随着城市化进程的加速和工业化程度的提高，污染物排放问题越来越严重，其中光污染和空气污染问题日益引起人们的关注。TiO2纳米材料由于具有良好的光催化性能，在治理光和空气污染方面具有重要的应用价值。而在实际应用中，纯TiO2纳米材料的缺点也逐渐显现出来，比如光吸收谱范围狭窄、光催化效率低等问题，针对这些问题，人们开始将TiO2材料与稀土元素进行掺杂，以期提高其光催化性能。本文旨在探究稀土掺杂TiO2纳米材料的制备方法及其光催化性能。
制备方法
（1）溶胶-凝胶法
溶胶-凝胶法制备稀土掺杂TiO2纳米材料是一种较为简单的方法。首先将钛酸四丁酯、三乙醇胺等有机物加入不同的稀土氧化物溶液中，并搅拌均匀。然后加入适量的乙酸和水，在温度为60℃的条件下进行混合反应，制备出稀土掺杂TiO2的前驱体。在高温条件下对前驱体进行焙烧处理，可以得到稀土掺杂TiO2纳米材料。
（2）水热法
水热法是制备TiO2纳米材料的常用方法之一。在此基础上，将稀土元素掺杂到TiO2中，可以比较容易地实现。首先将氯化钛和稀土氯化物加入适量的乙醇中，并加入醋酸作为稳定剂。然后将混合物在水热条件下反应，进行晶体的生长和形态的控制，制备出稀土掺杂TiO2纳米材料。
（3）共沉淀法
共沉淀法是一种完全溶解反应、混合、转化和析出的复杂反应过程。通过共沉淀法制备的TiO2纳米材料与其他掺杂元素也可进行掺杂。首先将钛酸四丁酯和稀土氧化物加入一定比例的溶液中，通过搅拌使其充分混合。然后加入一定数量的稀硝酸，调整pH值，使沉淀充分析出。最后在高温条件下进行焙烧，制备出稀土掺杂的TiO2纳米材料。
光催化性能研究
稀土掺杂TiO2纳米材料的光催化性能优于纯TiO2材料，主要体现在以下方面：
（1）吸光谱范围的增加
传统的纯TiO2材料具有较为狭窄的吸光谱范围，只能吸收波长在紫外线范围内的光，而稀土掺杂TiO2材料的吸光范围则大大增加。例如，采用铈掺杂的TiO2纳米材料，可吸收波长在可见光范围内的光，具有较高的光催化效率。
（2）光生电子的分离效率提高
稀土掺杂TiO2纳米材料中，稀土元素离子的掺杂可以制造出多种缺陷和氧空位，提高电子的自由度和传输效率，使光生电子的分离效率得到提高，从而提高了催化效率。
（3）有效的电子-空穴对的产生
稀土掺杂TiO2纳米材料中，稀土元素的3d电子能级与TiO2的导带相互作用，使产生的电子空穴对可以有效分离，从而提高了催化效率。
结论
稀土掺杂TiO2纳米材料由于具有较宽的吸光范围、高的光催化效率等优点，被广泛应用于治理光和空气污染等领域。本文对稀土掺杂TiO2纳米材料的制备方法和光催化性能进行了探究，为该领域的研究提供了一定的参考依据。