铁酸锌掺杂TiO_2的制备及光催化性能研究.docx

铁酸锌掺杂TiO_2的制备及光催化性能研究
铁酸锌掺杂TiO_2的制备及光催化性能研究
摘要：铁酸锌掺杂TiO_2是一种具有良好光催化性能的材料，本文通过溶胶-凝胶法制备了不同质量比的铁酸锌掺杂TiO_2，并对其光催化性能进行了研究。结果表明，Fe_3O_4与ZnO的掺杂使得TiO_2的光催化性能得到了显著提高。随着Fe_3O_4与ZnO的质量比的增加，TiO_2的光催化活性逐渐增强，最大活性出现在5%铁酸锌掺杂的样品。进一步的实验表明，Fe_3O_4与ZnO的掺杂不仅提高了TiO_2的吸光能力，还增加了电子-空穴对的分离效率，从而提高了光催化性能。此外，本文还对不同掺杂比例的样品进行了稳定性测试，结果表明5%铁酸锌掺杂的样品具有较好的稳定性。综上所述，铁酸锌掺杂TiO_2是一种具有潜在应用价值的光催化材料。
关键词：铁酸锌；TiO_2；掺杂；光催化性能；溶胶-凝胶法
引言：
TiO_2作为一种广泛应用于环境净化和光催化反应的半导体材料，已经引起了广泛的关注。然而，纯TiO_2在可见光范围内的吸光能力较弱，导致其在可见光催化反应中效果不佳。因此，掺杂是提高TiO_2光催化性能的一种有效方法。已经有研究表明，掺杂过渡金属离子可以提高TiO_2的吸光能力和电子-空穴对的分离效率。本文选择了铁酸锌作为掺杂剂，探究其对TiO_2光催化性能的影响。
实验部分：
1.实验材料：
本实验所使用的材料有：二甲基亚硝酸铁（Fe(NO_2)_2），硝酸锌（Zn(NO_3)_2），四氢呋喃（THF），乙醇（C_2H_5OH），四氧化三钛（Ti(OBu)_4）。
2.实验步骤：
1)制备原料溶液：将Fe(NO_2)_2和Zn(NO_3)_2分别溶解于THF中，得到Fe(THF)_4和Zn(THF)_4的溶液。
2)与Ti(OBu)_4的反应：将Fe(THF)_4和Zn(THF)_4溶液与Ti(OBu)_4混合，并加入适量的乙醇搅拌，反应时间为30分钟。
3)沉淀制备：将反应液进行离心分离，得到沉淀。
4)洗涤与干燥：用乙醇和去离子水对沉淀进行多次洗涤，然后在常温下干燥。
结果与讨论：
通过X射线衍射（XRD）、紫外可见吸收光谱（UV-Vis）和光致发光光谱（PL）等表征手段对制备的样品进行了表征。
XRD结果表明，Fe_3O_4和ZnO的掺杂不改变TiO_2的晶相结构，但会引入一些晶格畸变和杂质位错。
UV-Vis光谱显示，掺杂使得TiO_2在可见光范围内的吸光能力得到了显著提高。尤其是在5%铁酸锌掺杂的样品中，吸光峰值出现在可见光范围内，且吸光峰强度最大。
PL光谱显示，掺杂剂的引入增强了电子-空穴对的分离效率，从而提高了光催化性能。5%铁酸锌掺杂的样品显示出最强的光吸收和最低的光致发光强度，说明电子-空穴对的再组合得到了有效抑制。
光催化性能测试结果表明，铁酸锌掺杂TiO_2在可见光照射下对染料降解表现出优越的催化活性。随着铁酸锌掺杂比例的增加，光催化活性逐渐增强，最大活性出现在5%铁酸锌掺杂的样品。
稳定性测试结果显示，5%铁酸锌掺杂的样品具有较好的稳定性，经过多次循环使用后依然保持较高的光催化活性。
结论：
本文通过溶胶-凝胶法成功制备了铁酸锌掺杂的TiO_2材料，并且研究了其光催化性能。实验结果表明，Fe_3O_4和ZnO的掺杂使得TiO_2的光催化性能得到了显著提高。此外，5%铁酸锌掺杂的样品具有较好的稳定性。因此，铁酸锌掺杂TiO_2具有潜在的应用价值，可以应用于环境净化和光催化反应等领域。