稀土掺杂纳米tiolt2gt的结构和电子特性研究

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1、I_I●～-、}吒}11k’‘p川^善博士学位论文土掺杂纳米Ti02的结构和电子特性研究材料学专业研究生侯廷红指导教师涂铭旌院士以纳米半导体氧化物为催化剂的多相光催化是一种理想的环境污染治理技术，已成为近年来国际上最为活跃的研究领域之一。面02以其无毒、氧化能力强、稳定性好和成本低而最为常用。利用稀土元素独特的4f电子结构，对E02进行掺杂改性是常用的提高币02光催化活性和太阳能利用率的方法。纵观目前众多的稀土掺杂n02光催化研究，绝大多数的研究重点放在光催化剂的使用性能上，导致重复性研究十分严重，而对其影响机制的研究也是猜想多于证据，对光催化剂性能起决定作用的结构和电子特性研究

2、显得尤为不足。为此，本文围绕稀土掺杂纳米砷02的结构特性、光学特性、电子特性和理论研究四个方面进行了深入的研究，取得了一批有价值的结论。本研究达到了预期的研究目标，取得了一些具有理论价值和工程价值的创新性研究成果。本文从稀土掺杂纳米n02的结构、光学、电子特性和理论模拟四个方面展开研究，获得了以下重要结论：l、在结构特性研究方面，采用XRD、TEM、HRTEM，EDS和XPS对稀土掺杂纳米面02进行了表征。实验结果表明，稀土掺杂使髓02的XRD(101)衍射峰向2口小角度方向移动并出现宽化现象，导致币02发生晶格畸变，并对Ti02晶粒长大有抑制作用。基于XRD与HRTEM分析和理

3、论模型的结构优化结果认为，稀土掺杂离子在面02基体中存在如下两种形式：取代1r离子进入啊02晶格之中和以氧化物形式局部集聚在砸02晶格内。2、在光学特性研究方面，采用UV-visDRS和FS对稀土掺杂纳米髓02进行了表征。实验结果表明，除ce外，其余稀土元素掺杂m02CLa、Pr、Nd、Sm和Eu)的UV-visDRS吸收边发生蓝移；而Cc掺杂导致吸收边发生红移，并且存在一个最佳掺杂量(1．5at．％)；对光学吸收特性的理论计算结果与测试IV一埘大辱博士学位论文结果一致，同时验证了稀土离子吸收光谱带的存在；Sm掺杂在荧光光谱中引起了新的发射峰，其强度随Sm掺杂量的改变而改变，其余

4、稀土元素(La、cc、Pr和Nd)只影响纳米髓02的发射峰强度和范围。3、在电子特性研究方面，采用SRPES、XANES和STS对稀土掺杂纳米面02进行了表征。实验结果表明，稀土Nd的4f电子与砸02价带谱中的O．2p和Ti-3d电子态发生杂化作用，导致其价带起始边向低结合能方向移动；稀土元素掺杂影响n-K边的XANES边前区中对应于O-2p电子跃迁的A2吸收峰的能量位置和吸收强度，验证了4f电子与Ti02价带的相互作用；Ce掺杂Ti02的STS中出现了新的杂质能级，表明稀土掺杂改变了纳米Ti02的表面电子结构。4、在理论模拟方面，采用基于第一性原理的量化软件计算了稀土掺杂Ti0

5、2的电子结构。计算结果表明，稀土掺杂在Ⅱ02能隙中引入了4f杂质能级，与Ti-3d或O一2p态密度发生不同程度的重叠。根据4f能级在能隙中所处的位置，将Ce的4f能级划分为施主能级，而将Pr、Nd、Sm、Eu的4f能级划分为受主能级。据此提出了稀土掺杂Ti(h电子结构的理论模型。关键词：纳米髓侥；稀土；掺杂；结构特性；电子特性V，；J，l^．，^’气Heterogeneousphotocatalysisbasedonsemiconductornano-oxides．isanidealtechnologyforremedyingenvironmentalpoHufionandhas

6、becomeoneofthemostactiveresearchfieldsinrecentyears．Titaniumdioxidehasbeenwidelyusedasphotocatalystduetoitsnontoxic．highoxidationabmty,goodchemicalstabilityandlostcost．Inordertoimproveitsphotocatalyticabilityandutilizesolarenergymo∞efficiently,titaniumdioxideisdopedwithavarietyofions，especial

7、lylanthanideions，whichembodiesunique4felectronicconfiguration．Althoughtherehavebeenmanyreportsonlanthanide-doped(hereafterabbreviateda,gLn)titania,mostofthemdealwiththedegradingperformancetestsandthepresenteddopingmechanismisbased011hypothesi