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1、催化材料钛酸锶的制备及改善兰州大学物理学院材料化学专业姓名：张伟 学号：320090931031 邮箱: 摘要：近年来，宽带隙金属氧化物半导体(MOS)材料在很多研究领域都受到了广泛的关注，包 括光催化，压敏电阻以及气体传感器等。钛酸锶(SrTiO)是一类性能优异、应用广泛的新型 半导体材料，具有稳定的晶体结构和特殊的物化性能。人们对其化学反应的催化性能做了较 为全面深入的研究。然而，SrTi03的带隙约为3.2 eV,因此只能在波长小于387nm的紫外 光下具有较强活性。但是，紫外光的能量只占地表太阳光能量的一小部分，而可见光部分占 到的比例更大，较宽的带隙制约了 SrTi03 对太阳光能量
2、的利用率。为了更加合理的利用太 阳光的能量，提高光能转化率，使太阳光的可见部分的能量也得到充分的利用。在光催化材 料中掺入其它元素改变能带结构是提高光能利用率为重要的方法之一，也是本篇综述的主要 内容。关键词：钛酸锶、纳米结构、光催化引言：钛酸锶材料是一种非常吸引人的材料具有反应条件温和、环境友好、化学稳定性优异等 优点。SrTiO3的禁带宽度与TiO2相同均为3.2 eV,但与传统的TiO?相比SrT的费米能级 相对较高，有更高的光电势，在光催化裂解水、制备清洁氢能源、光催化降解有机污染物方 面具有更大的优势。但是由于SrTiO3的禁带宽度为3.2 eV,只能吸收紫外光，因此应用于 光催化降
3、解有机污染物时，太阳光的利用率很低。不过SrTiO3结构在Sr位和Ti位具有广泛 的离子取代性，使得可以利用过渡金属Cr、La、Ni、Ba、Au、Ag等离子掺杂取代Sr，形 成适当的施主能级或受主能级,将半导体的光敏感性扩展到可见光范围内。此外，关于SrTiO3 缺陷的研究也发现，在SrTiO3结构中形成锶空位电子中心、钛离子-氧空位电子中心，将分 别在禁带中产生一个靠近价带顶的受主能级和靠近导带底的施主能级，可显著提高其在可见 光范围的光吸收。制备：钛酸锶作为一种典型的钙钛矿氧化物，其纳米结构有着广泛的应用，其尺寸和形貌是 影响材料性能的重要方面。零维SrTiO3纳米颗粒的制备早期采用传统的
4、高温固相法。C. Berbecaru等人用高温固相 法制备出了 5微米的SrTiO3颗粒，表面粗糙。之后的采用微波加热法得到了 380纳米的颗 粒。S. Fuentes课题组用TiC和Sr(OH)28H2O为原料，采用溶胶凝胶水热法制备出了无 规则 SrTiO3 纳米颗粒。一维纳米结构的制备较为困难。 Hongkun Park 等人首次通过将金属锶加入到装有无水 苯、 2-异丙醇和异丙醇钛的烧杯中，搅拌，沉淀得到前驱体沉淀，将制备出的前驱体异丙醇 钛锶加热到280保温6小时，得到SrTiO3的纳米棒。Joshi和Yjing等人用水热法制备出 了 SrTiO3 纳米线。1. SrTiO3 介孔结
5、构的制备：Qiu等人通过将四丙醇钛在含有KCl的酒精中水解，搅拌得到白色沉淀，通过在大气环 境的密闭容器中时效处理24h，干燥容器的底部的粉体得到非晶TiO2。将非晶与水合氢氧化 锶作为反应前躯体，经过180C水热处理12h，干燥得到SrTiO3介孔球。Wei等人用NH3 比0为沉淀剂制备钛的氢氧化物，以钛的氢氧化物和硝酸锶水溶液 作为前驱体，其中Sr/Ti原子比为3。以KOH为矿化剂，采用PVA为表面活性剂，在200C条件下水热反应一段时间合成了类单晶的介孔球，该介孔球是由细小的初始纳米颗粒在系统 能量的驱动下自组装而成的。且在 PVA 的作用下，一次颗粒以完美取向聚集成类单晶的 SrTiO
6、3 介孔球。2. SrTiO3 中空球结构的制备：Zheng 等人采用四丙醇钛在酒精中的缓慢水解，通过水热法制备出了球型二氧化钛前驱 体，其前驱物TiO2与六水合氯化锶的混合液消除氮气后，以NaOH为矿化剂，在180C条 件下水热反应 6 小时，干燥后得到分散均匀的中空球。3. SrTiO3 颗粒纤维结构的制备：Wang等人，通过H2T4O9和Sr (OH) 28比0混合，混合物的H2Ti4O9/Sr (OH) 28比0 的摩尔比为15,在225C水热处理24h，反应产物用盐酸清洗多余的Sr (OH) 2，之后用去 离子水清晰三次，60C干燥一天得到颗粒纤维结构的SrTiO3。钛酸锶作为两种粒
7、子的存在， 纳米颗粒吸附在 100nm 纤维状微粒表面。这两种粒子的形成可以被解释通过局部原位规整 反应和溶解-沉淀机制。这种SrTiO3颗粒在近紫外光范围分解一氧化氮表现出更好的性能。 结果与讨论：众所周知，SrTiO3的禁带宽度与TiO2相同均为3.2eV能吸 收紫外光，因此应用于光催化降解有机污染物时，太阳光的利 用率很低。SrTiO3为典型的钙钛矿结构，如图所示，Sr位和Ti 位具有广泛的离子取代性，因此我们可以通过在Sr位和Ti位进 行掺杂取代，形成电荷缺陷或晶格畸变，有目的地改变其物理 化学性能。1. Zn 掺杂的 SrTiO3 催化性能的改进：将硝酸锶、硝酸锌与柠檬酸溶解于纯水中
8、加入钛酸四丁酯， 溶胶，100C下干燥，在900C下煅烧5h得到产物。经过测试得到纯的Zn- SrTi,禁带宽度降低到了 1.90eV, Zn掺杂的SrTiO?催化剂可以显著提高对太阳光的利用效率。2. N 掺杂的 SrTiO3 催化性能的改进：将SrTiO3与20wt%的六次甲基四胺通过机械球磨的方法混合均匀，在400C下煅烧1h, 得到N掺杂的SrTiO3粉体，该粉体在近紫外区域和久400nm区域的吸收有了很大的改变, 在可见光区的催化效率也有了很大的提高，N掺杂的SrTiO3催化剂比纯的SrTiO3催化剂催 化活性提高了 3.5 倍。总结：不同的制备方法将影响催化剂的尺寸，形状和整体结构
9、，而这些又决定了催化剂的活性。 通过热处理，如加热可以该变晶体的表面缺陷的变化，从而影响催化剂的活性。异质结型 NiO/ZnO 复合纳米纤维光催化剂与稀土掺杂 SrTi03 催化剂可以显著提高对太阳光的利用 效率，又引起了对SrTiO3材料的兴趣。愿景：1. 太阳光光能的利用率的进一步提高。2. 催化剂的部分原理尚不明确。 致谢：感谢兰州大学物理科学与技术学院王育华老师与刘斌老师的关心照顾。参考文献：【1】Wang J, Yin S, Komatsu M, et al. Preparation and characterization of nitrogen doped SrTiO 3 pho
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