稀土元素掺杂三氧化钨光催化剂

氧化钨图片

大量研究表明,掺杂是提高三氧化钨光催化活性的有效手段。稀土元素具有特殊的f层电子结构,这种结构决定了它内部能够产生更多电子组态;并且,它生成的氧化物具有多晶型,强吸附选择性,良好的热稳定性和电子导电性等优势,在光学、电子以及催化剂领域中受到广泛应用。

一般认为光触媒的光催化活性是由其吸收光的能力、电荷分离和向底物转移的效率共同决定的,WO3吸收光的能力越强,光催化反应的活性也就越高。

钇(Y3+)掺杂可以使得WO3样品的光谱响应范围可见光区拓展;并且,XPS分析表明,Y3+的掺杂可以带来催化剂表面氧空位的增加;在可见光辐射下,掺杂0.05%的Y3+的三氧化钨的光催化析氧活性为未掺杂WO3的1.7倍。

铕(Eu3+)离子掺杂可以拓展WO3的光响应范围,促使WO3吸收更多的可见光,从而提高它的光催化活性;然而,过量的氧化铕掺杂将阻止WO3对光的吸收,进而影响WO3的光催化活性。另外,铕也通过增大反应物吸附量,来提高WO3光催化剂的催化活性,根据:反应物的提前吸附和增大吸附量的高效光催化降解反应的非常重要的前提条件。

微量镧(La3+)离子掺杂能够有效提高三氧化钨的光催化活性,并抑制煅烧过程中的三氧化钨单斜晶型向六方晶型的转变。同时,镧的掺杂量不可过多,因为当掺杂浓度过大时,过多的La3+将生成新的复合中心,加速光生电子和光生空穴的复合及其逆反应,从而降低三氧化钨的光催化活性。

铽(Tb3+)离子掺杂能拓展WO3的光响应范围,显著提高WO3对溶性染料罗丹明B的光催化降解率和抗腐蚀性。研究分析其可能原因是,Tb3+掺杂提高了WO3的结晶度和增大可见光区的吸收等因素有关,因为结晶度的提高可以使得光生电子和空穴在WO3中的传播速度加快,从而降低了电子-空穴复合的概率,提高光量子产率。

钆(Gd)和TiO2共掺杂的WO3光催化剂的光响应范围得到提升,实验还表明,其对可溶性染料罗丹明B(RB)的吸附作用得到了提高,从而促使了WO3对RB的光催化降解活性和光稳定性显著得到提升。

铈(Ce)掺杂WO3光催化剂中,Ce的掺杂导致了WO3催化剂表面吸附氧含量的增加,晶格氧含量减少,即氧缺位增加;同时,由于氧缺位带正电荷,过多的氧缺位可以中和带负电的自由电子,从而减小了自由电子的含量;另外,表面氧缺位含量的增加提高了电子与表面吸附物质的氧化反应率,即增加了界面电子的迁移速率,使得Ce/ WO3催化剂的表面生成更多的•OH和•O2,大大提高了催化剂样品的光催化活性。这种掺杂型的Ce/ WO3既能有利于抑制电子-空穴复合过程,同时由于内部Ce的存在,使其更容易被可见光激发,在光解水制氢和析氧方面有良好的表现。

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