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TiO_2光催化剂的掺杂改性和固定化研究
TiO2光催化剂是一种具有广泛应用前景的新材料，在环境净化、水处理、气体分解等领域都有着重要的应用。然而，目前TiO2光催化剂的光催化活性、化学稳定性仍然存在一些问题，如易受光导致的光催化剂的失活、低光催化效率等问题。因此，掺杂和固定化成为了研究的热点。
一、掺杂改性
掺杂改性是在TiO2光催化剂的基础上，加入其他元素的一种方式，可以调节其光催化活性、表面性质、吸附能力等性质，达到提高催化剂效率、耐用性的目的。
1.稀土元素掺杂
稀土元素是一类重要的掺杂元素，因为它们具有良好的光催化活性、可调节红外吸收和荧光发射等特性，被广泛应用于TiO2光催化剂中。以镝(dysprosium)为例，研究表明其掺杂TiO2可以有效提高光催化剂的活性，其原因是镝离子的存在可增加TiO2表面电荷（Ti-OH）、氧缺陷位点（Ti3+）等，有利于激发电子的分散和光生电子与受体的反应，提高了光生电子与残留氧自由基之间的反应效果。
2.金属氧化物掺杂
金属氧化物掺杂是另一种常见的掺杂方式，可以改善TiO2在阳光和可见光下的光吸收、减少短波光照射下的光催化剂的失活问题。掺杂金属氧化物如Fe2O3、Cu2O等，可实现对光催化剂吸收光的转换，通过可见光催化反应来增加催化效果。Fe2O3掺杂TiO2的示例研究表明，Fe2O3和TiO2表面的共价键有助于将电子自Fe2O3转移到TiO2上，使TiO2光催化剂的光催化活性得到改善。
3.纳米材料掺杂
纳米材料是一类重要的光催化剂掺杂物，对其掺杂后，光催化剂的单位表面积、吸附能力等性质均得到了提高。其中，掺杂碳纳米管、石墨烯等二维材料具有独特的电导性质和光学性质，可以有效促进电子的传输，提高光催化剂的活性。石墨烯掺杂TiO2的研究表明，由于石墨烯的电导性能和高表面积，TiO2颗粒在其表面分散并形成了大量有效催化剂剂点，大大提高了光催化剂的吸附性能以及催化活性。
二、固定化
固定化是将活性材料固定在载体上，以提高其催化效率、光化学稳定性、可重复使用性等性能。目前，常见的固定化方式主要有浸渍法（impregnationmethod）、溶胶-凝胶法（sol-gelmethod）、化学气相沉积法（chemicalvapordepositionmethod，CVD）等。
1.浸渍法
浸渍法是经常用于光催化剂的固定化方法，其原理是在TiO2表面反复浸泡活性物质，使其得到均匀地分布在TiO2表面，并最终固定在其上。当用于固定光催化剂时，该方法通常会选择降低载体表面能力以及最小化加入剂的碱性值，以保证高催化效率、光稳定性和可重复使用性。
2.溶胶-凝胶法
溶胶-凝胶法是一种将官能化材料（溶解后形成凝胶状态的物质）与载体混合后，在合适的初始条件下进行水解凝胶，形成成膜凝胶的方法。这种方法可以控制材料的大小和形状，并且允许优化固定化过程，从而最大程度地提高固定化效率和催化效率。
3.化学气相沉积法
化学气相沉积法是在连续气相环境中进行材料沉积、掺杂和固定化的方法。在气相中，将合适的金属或组合物转化为蒸气或气态先驱体，经过几轮混合和反应，使蒸汽通过固体载体并形成薄膜。这个方法的优点是可以在大量重复的条件下生成稳定的光催化剂，并提供可重复使用性。
总之，TiO2光催化剂的掺杂和固定化可对其催化性质和表面性质进行调节，从而实现优化催化效率和提高其稳定性的目的。值得注意的是，在实际应用过程中需要结合自身的材料特性和所需应用领域，选择相应的改性和固定化技术。