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P、V共掺杂纳米TiO_2的制备和性能研究
摘要
本研究采用共掺杂法制备纳米TiO_2光催化材料，并通过一系列的表征手段对其物理、化学、结构和光催化性能进行了研究。结果表明，掺杂P、V元素后可以有效地提高TiO_2的光催化性能，具有良好的光催化活性和稳定性，适合于废水处理等环境领域中的应用。
关键词：纳米TiO_2；光催化；掺杂；P、V；性能
引言
由于环境污染日益严重，需要采取有效的技术手段来处理废水和有害物质。其中，光催化技术因其环保、高效、低成本等优势受到了越来越多的关注。TiO_2作为一种常见的光催化材料，在高能紫外线照射下可以将有机物和无机物降解成水和二氧化碳，具有较高的催化活性和稳定性。然而，TiO_2也存在一些问题，如光响应能力较弱、电子-空穴复合速度快等。为了克服这些限制，不少研究者将其他元素掺入TiO_2中，以改善其光催化性能。
其中，P、V元素的掺入对TiO_2的光催化性能影响较大。P元素是一种广泛应用于半导体光催化中的掺杂材料，可以提高半导体的导电性和光响应程度，从而增强其载流子的分离效果。V元素可以在TiO_2表面生成一定数量的不同价态的V离子，这些离子可以与TiO_2的电子产生复合作用，从而改善其催化性能。因此，将P、V元素共同掺杂到TiO_2中，可以进一步提高其光催化性能。
实验部分
1.实验材料
TiO_2粉体（分子量为158.75，纯度达99%），P、V溶液，紫外辐射灯，氢氟酸、乙醇、去离子水。
2.实验方法
（1）制备共掺杂纳米TiO_2：首先将TiO_2粉体加入去离子水中悬浮，经过超声震荡和搅拌后，将P、V溶液逐滴滴加入悬浮液中，并继续搅拌反应至混合均匀。接着，将悬浮液放置在紫外辐射灯下照射（光照条件：紫外线波长为365nm，光照强度为100mW/cm^2），保持反应3小时，最后将所得料冷却干燥，得到共掺杂纳米TiO_2。
（2）性能测试：利用扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）、X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和紫外-可见光谱（UV-Vis）对样品进行表征。另外，采用RhB为污染物，分别测试了纯TiO_2和共掺杂TiO_2的光催化性能。
结果与讨论
1.实验结果
（1）SEM和TEM图像显示，共掺杂纳米TiO_2的颗粒大小分布均匀，平均粒径约在20-30nm之间。
（2）XRD图谱表明，共掺杂纳米TiO_2的结晶性和晶粒大小与纯TiO_2相似，但存在了P、V元素掺入的峰位；FTIR图谱显示，在纯TiO_2的基础上，共掺杂后出现特有的吸收峰。
（3）光催化实验结果表明，在紫外光照射下，共掺杂TiO_2的RhB降解率显著高于纯TiO_2，且共掺杂纳米TiO_2的光催化活性更高。
2.结果分析与讨论
共掺杂纳米TiO_2在水相中的光催化性能主要受其表面的化学活性和晶格结构的影响。通过SEM和TEM图像观察，可以发现共掺杂纳米TiO_2的颗粒具有较小的粒径和较大的比表面积，从而提高了其光敏性。此外，XRD和FTIR结果显示，共掺杂TiO_2的结晶度和分子结构在一定程度上得到了改善，进一步减小了电子-空穴复合的速度。
此外，掺杂P、V元素对共掺杂纳米TiO_2光催化活性的提高也功不可没。P元素通过在TiO_2表面形成一个磷酸根离子层，可以提高TiO_2的光敏性和导电性，从而改善了其光催化活性。V元素能够形成一种不同价态的TiO_2-V离子化合物，在TiO_2表面形成一层相对稳定的含V卟啉化妆层，这种化学物质在光照下更容易吸附和分解水中有机污染物。
总之，本研究采用共掺杂法制备的纳米TiO_2光催化材料具有良好的光催化性能和稳定性，可以在环境领域中应用于废水处理等领域。
结论
本研究采用共掺杂法制备了纳米TiO_2光催化材料，并通过SEM、TEM、XRD、FTIR和UV-Vis等表征方法对其进行了物理、化学和结构性质的分析。研究结果表明，共掺杂纳米TiO_2具有优异的光催化活性和稳定性，其中掺杂的P、V元素对其光催化性能发挥了重要作用。因此，共掺杂纳米TiO_2光催化材料是一种非常有前途的环保材料，可以在废水处理、空气净化等方面发挥重要作用。