重庆交通大学 材料科学与工程学院 重庆 400074
摘要：过掺杂渡金属TiO2光催化剂，在光化学应用中表现的，材料中的诸多不足能够被克服纯TiO2材料。通过探究纯TiO2和过渡金属掺杂TiO2光催化剂的催化原理，列举了Cu、Mn、Fe等过渡金属掺杂TiO2光催化剂的具体实例，文中对当前过渡金属掺杂TiO2光催化剂所取得的研究成果和存在的问题进行了全面的分析，对过渡金属掺杂TiO2光催化剂的研究进行了展望。
关键词：二氧化钛；过渡金属；光催化
1 引 言
TiO2具有良好的性质并且低廉成本，是一种广泛使用材料，应用各个领域[1-2]。在环境保护领域的应用越来越被人们所关注和重视[3-5]。
对光的利用率只有不到10%的二氧化钛催化剂来说，电子-空穴对复合的时间一般在10ns～100ns，远远小于它们被捕获和转移所需要的时间（100ns～1ms）。因此，在到达催化剂的表面之前大部分光生载流子会逐渐消失，导致了光催化活性的降低[6-7]。如果能采取一定措施，光催化性能应该被得到改善二氧化钛。认识使人越来越重视，半导体复合、贵金属沉积、过渡金属离子掺杂等方法被人们采取了，研究了纳米二氧化钛[8-14]。
本文主要是对过渡金属掺杂TiO2光催化剂的进行研究，概括了近几年来几种过渡金属掺杂TiO2纳米材料制备新型光催化剂的研究进展，目前过渡金属掺杂 TiO2 光催化剂研究所取得的成果及存在的问题被人们分析了，对今后过渡金属改性 TiO2 复合材料的研究趋势进行展望。
2过渡金属掺杂
被掺杂了过渡金属离子的二氧化钛主要表现为有三种效果：
Ti4+的位置被取代，新的杂质能级被引入TiO2禁带中，从而变窄了其禁带宽度，使TiO2的吸收波长向可见光拓展；
在TiO2晶粒表面堆积了金属离子堆积，必然会激发半导体产生电子和空穴；
在TiO2表面沉积有掺杂的金属离子，浅势捕陷阱就形成了，光生电子和空穴的复合被抑制；
2.1 Cu掺杂二氧化钛光催化剂
吴树新、马智等[15]，采用浸渍法，铜掺杂的TiO2被制备，结果表明，Cu+/Cu2+有利于光生载流子的分离和电子转移，催化剂的光催化性被得到了提高。
闫军、王彬等人[16]，在温和条件下仿生合成的微米铜粉/纳米TiO2复合粒子。说明此方法可以提高可见光催化活性。
赵鹏君、吴容等人[17]，水热法被采用，进一步合成了负载Cu纳米粒子。结果表明：电子-空穴对的分离效率被提高，应为铜的掺杂。
2.2 Mn掺杂二氧化钛光催化剂
郑凯、林平等人[18]，在光催化反应器中，以紫外光为光源，直流电场作为驱动力，溶液中有足够量的溶解氧，锰掺杂TiO2电极作为阳极，不锈钢网电极作为阴极，紫外光强的影响，电压、溶解氧等参数对浓度为50 mg/L 4-nitroaniline的降解效率进行了研究。结果表明，4-nitroaniline废水的光催化降解锰掺杂二氧化钛时是最好的紫外线强度是1 000μw / cm2，电压24 V，和做值超过8 mg / L。光催化单元运行时约为1.5 h，4-nitroaniline的去除率可以达到99.2%，COD的去除率可以达到78.8%，TOC的去除率可以达到80.3%。处理后的4-nitroaniline废水达到排放标准。
金玉连、李方宇等人[19]，以四氯化钛为原料，锰掺杂TiO2为光催化剂，采用溶胶-凝胶法对某造纸厂废水进行了光催化降解。实验结果表明，经460℃热处理1H后，Mn2 + / TiO2的光催化效果较好。条件下的入渗ρ（COD）的400 mg / L，初始pH值为4.0时，光催化剂用量为1.5 g / L和照明时间9 h，COD的去除率可以达到80.3%。
张霞、胡芸等人[20]，MnSO4·H2O和MnC2O4·4H2O共同被作为锰源，结果表明，所制得的物质均为锐钛矿相，结果表明，掺杂物质的催化剂光催化活性较高。
徐伟、李新军等人[21]，采用溶胶-凝胶法制备了锰离子，表明photocarriers容易形成和分离效果好。基于半导体的p-n结原理，锰离子掺杂TiO2的光催化性能比较好。
2.3 Fe掺杂二氧化钛光催化剂
谢伟淼、陈辉等人[22]，金红石二氧化钛的复合光催化材料（Ti2O）和α- FeOOH由水解沉淀方法以四氯化钛为钛源和针铁矿（α- FeOOH）可以作为承运人签订服务合同。高温下，形成掺杂铁的金红石相Ti2O纳米管；在中等温度下，样品具有复合和掺杂特性。用钨灯和氘灯测试了甲基橙在室温下的光催化活性。与纯物质相比，样品的光催化活性的结构被得到了改进，其中复合和掺杂样品光催化活性最高可以看出α- FeOOH和铁掺杂的结合是一种有效改善Ti2O催化活性的的方法。
张玲洁、郭兴忠等人[23]，采用溶胶-凝胶法制备了室温下铁掺杂的TiO2溶胶被分析了。铁掺杂TiO2溶胶的光催化性能。溶胶对竹炭被利用去进行了复合改性，阐明了铁掺杂溶胶改性对竹炭光催化性能和结构特性的影响机理。结果表明，铁掺杂二氧化钛具有优异的紫外线催化性能。
3结 语
在从目前的研究过程来看，虽然过渡金属掺杂的TiO2光催化剂在性能上优于纯TiO2，但在制备工艺、复合生产、材料保存等方面仍面临诸多挑战：
（1）在过渡金属掺杂的TiO2光催化剂中，大部分过渡金属以金属态的形式存在，且过渡金属的尺寸有一定的局限性，这并不能显著提高LSPR效率，吸收光谱中的红移程度不显著；
（2）过渡金属掺杂TiO2光催化剂的制备工艺要求较高，影响合成结果的因素较多，导致材料形貌不均匀，沉积或涂覆效果不理想；
（3）虽然目前对过渡金属掺杂TiO2光催化剂的研究还局限于实验室研究，但我相信随着研究的深入，过渡金属掺杂TiO2光催化剂将会有更广阔的发展前景。
参考文献：
[1]PARK H，PARK Y，KIM W，et a1. Surface modification of Ti02 photocatalyst for environmental applications[J].Journal of Photochemistry & Photobiology C Photochemistry Reviews，2013，15（3）：1-20.
[2]GUPTAN，PAL B，GUPTAV，et a1. Photocatalytic activity of transition metal and metal ions impregnated Ti02 nanostructures
for iodide oxidation to iodine formation[J].Journal of Molecular
CatalysisA chemical，2013，371（5）：48-55.
[3]徐鹏，李佑稷，刘晨，等.钒掺杂介孔二氧化钦的制备及可见光催化性能[J].高等学校化学学报，2014，9（35）：1954-1961.