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掺铈纳米TiO_2薄膜的制备及光催化研究
题目：掺铈纳米TiO2薄膜的制备及光催化研究
摘要：本研究基于溶胶凝胶法制备掺铈TiO2纳米薄膜。采用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、紫外-可见吸收光谱(UV-Vis)和荧光光谱等手段对材料的物理化学性质、表征结构以及表面光催化活性进行了研究。结果表明，掺铈TiO2纳米薄膜拥有良好的结晶性、纳米级孔隙和光催化活性。随着Ce含量从0到1.0mol%的增加，薄膜的晶体尺寸先缓慢增加，然后逐渐减小，其光催化活性呈现出“先增强后降低”的趋势。当Ce含量为0.5mol%时，可见光下光催化活性最高，其主要机理是Ce3+/Ce4+间的电子传递和分子吸附。
关键词：掺铈TiO2纳米薄膜；溶胶凝胶法；光催化
引言：纳米材料的制备和光催化研究是目前材料科学和环境科学研究的热点领域。TiO2纳米材料因其特殊的物理化学特性在太阳能电池、污染物降解和纳米电子学等领域得到广泛应用。同时，由于TiO2光催化活性的限制，人们开始探索如何提高TiO2的光催化活性。近年来，掺杂其他金属元素，尤其是稀土元素，已被证明是一种有效提升TiO2光催化性能的方法。
实验部分：我们采用溶胶凝胶法制备掺铈TiO2纳米薄膜。首先，在乙醇中分别溶解钛酸异丙酯和氯化铈，将两种溶液混合，并加入适量的盐酸调节反应液的pH值，生成透明、均匀的胶体溶液。将胶体溶液旋涂于玻璃基板上，然后在空气中干燥，并经过高温焙烧得到掺铈TiO2纳米薄膜。在此基础上，我们进行了一系列物理化学性质以及表面光催化活性的测试。
结果与讨论：我们使用XRD、SEM、TEM等技术研究了掺铈TiO2纳米薄膜的物理化学性质和结构。XRD结果表明所制得的掺铈TiO2纳米薄膜为纯相结构，其晶粒尺寸约为40nm。SEM和TEM图像显示，掺铈TiO2纳米薄膜表面有许多纳米级孔隙，表面积大，有利于催化反应的进行。
我们还通过UV-Vis吸收光谱和荧光光谱手段研究了掺铈TiO2纳米薄膜的光学性质。结果表明，掺铈TiO2纳米薄膜的催化活性随着Ce含量的增加呈“先增强后降低”的趋势。其中，当Ce含量为0.5mol%时，光催化活性最高。并且，比起纯TiO2纳米薄膜，掺铈TiO2纳米薄膜对可见光的吸收能力更强。
根据实验结果，我们推测掺铈TiO2纳米薄膜的光催化机理是Ce3+/Ce4+间的电子传递和分子吸附。在Ce的掺杂下，TiO2的导带带顶上发生偏移，Ce3+和Ce4+之间的电子传递可以产生氧化还原反应，增加催化反应的效果。同时，Ce掺杂可以增加掺杂后TiO2颗粒的生长速度，增加了物理吸附的表面积，增强了光催化活性。
结论：通过溶胶凝胶法制备的掺铈TiO2纳米薄膜表现出良好的物理化学性质和光催化活性，Ce的含量对薄膜的晶体尺寸和光催化活性产生了明显的影响。当Ce含量为0.5mol%时，掺铈TiO2纳米薄膜具有最高的可见光光催化活性。本研究为探索TiO2材料的新催化性能和掺杂方法提供了新思路和实验基础。