Fe3?摻雜二氧化鈦薄膜：自組裝制備、結構表征與光催化性能解析一、引言1.1研究背景與意義隨著全球工業(yè)化進程的加速，環(huán)境污染和能源短缺問題日益嚴重，開發(fā)高效、環(huán)保的技術來解決這些問題成為當務之急。光催化技術作為一種綠色可持續(xù)的技術，利用半導體材料在光照下產(chǎn)生的光生載流子來驅動化學反應，能夠實現(xiàn)對有機污染物的降解、水的分解制氫以及二氧化碳的還原等，為解決環(huán)境污染和能源危機提供了新的途徑。在眾多光催化材料中，二氧化鈦（TiO?）以其化學穩(wěn)定性好、催化活性高、價格低廉、無毒無害等優(yōu)點，成為最受關注和應用最廣泛的光催化劑。TiO?具有獨特的半導體性質，其能帶結構由充滿電子的價帶和空的導帶構成，禁帶寬度約為3.2eV（銳鈦礦型）。當TiO?受到波長小于或等于387.5nm的紫外光照射時，價帶中的電子會被激發(fā)躍遷到導帶，形成光生電子-空穴對。光生空穴具有強氧化性，能夠氧化吸附在TiO?表面的有機物或水分子，產(chǎn)生具有強氧化能力的羥基自由基（?OH）；光生電子則具有還原性，可將吸附的氧氣還原為超氧自由基（?O??）等活性氧物種。這些活性氧物種能夠進一步氧化分解各種有機污染物，將其礦化為二氧化碳和水等無害物質，從而實現(xiàn)光催化降解有機污染物的目的。盡管TiO?在光催化領域展現(xiàn)出巨大的潛力，但在實際應用中仍存在一些局限性。TiO?的禁帶寬度較寬，只能吸收紫外光，而紫外光在太陽光中所占比例不足5%，這使得TiO?對太陽能的利用率較低。光生電子-空穴對容易復合，導致光催化量子效率不高，限制了其光催化活性的進一步提升。為了克服這些問題，人們采用了多種方法對TiO?進行改性，如金屬離子摻雜、非金屬離子摻雜、半導體復合、貴金屬沉積以及表面光敏化等。其中，過渡金屬離子摻雜是一種常用且有效的改性方法，通過向TiO?晶格中引入過渡金屬離子，可以在TiO?的禁帶中引入雜質能級，從而拓展其光吸收范圍，提高對可見光的響應能力；同時，雜質能級還可以作為光生電子-空穴對的捕獲阱，減少電子-空穴對的復合，進而提高光催化活性。Fe3?作為一種常見的過渡金屬離子，在TiO?摻雜改性中備受關注。Fe3?的離子半徑（0.064nm）與Ti??的離子半徑（0.068nm）較為接近，能夠較容易地進入TiO?晶格，取代部分Ti??的位置。Fe3?摻雜TiO?后，可能產(chǎn)生以下作用：一是在TiO?禁帶中引入雜質能級，使TiO?能夠吸收能量較低的可見光，拓展光響應范圍；二是Fe3?的存在可以改變TiO?的電子結構，影響光生載流子的產(chǎn)生、傳輸和復合過程，從而提高光催化活性；三是Fe3?還可能影響TiO?的晶體結構和表面性質，進一步優(yōu)化其光催化性能。已有研究表明，適量的Fe3?摻雜能夠顯著提高TiO?對多種有機污染物的光催化降解效率，如對甲基橙、羅丹明B、苯酚等有機染料和酚類化合物的降解。然而，F(xiàn)e3?摻雜的效果受到多種因素的影響，如摻雜濃度、摻雜方式、制備工藝等，不同的研究條件下得到的結果也存在一定差異，因此，深入研究Fe3?摻雜對TiO?光催化性能的影響機制，優(yōu)化摻雜工藝，仍然是當前光催化領域的研究熱點之一。除了摻雜改性外，制備方法對TiO?的光催化性能也有著重要影響。傳統(tǒng)的TiO?制備方法包括溶膠-凝膠法、化學氣相沉積法、水熱法等，這些方法在一定程度上能夠制備出具有較好光催化性能的TiO?材料，但也存在一些缺點，如制備過程復雜、成本較高、難以精確控制材料的微觀結構和形貌等。自組裝技術作為一種新興的材料制備方法，具有操作簡單、成本低、能夠在溫和條件下進行等優(yōu)點，并且可以精確控制材料的結構和組成，實現(xiàn)對材料性能的有效調控。通過自組裝技術，可以將TiO?納米粒子或前驅體在模板或基底上有序排列，形成具有特定結構和形貌的TiO?薄膜，這種薄膜具有較大的比表面積、良好的分散性和穩(wěn)定性，有利于提高光催化活性。此外，自組裝技術還可以與其他改性方法相結合，如在自組裝過程中引入Fe3?摻雜，實現(xiàn)對TiO?薄膜的協(xié)同改性，進一步提升其光催化性能。本研究旨在采用自組裝方法制備Fe3?摻雜的二氧化鈦薄膜，并對其光催化性能進行系統(tǒng)研究。通過優(yōu)化制備工藝和摻雜條件，深入探討Fe3?摻雜對TiO?薄膜的晶體結構、微觀形貌、光學性能以及光催化活性的影響規(guī)律，揭示其光催化作用機制。本研究不僅有助于豐富和完善光催化材料的制備和改性理論，而且有望為開發(fā)高效、穩(wěn)定的可見光響應型光催化劑提供新的思路和方法，對于推動光催化技術在環(huán)境保護、能源轉換等領域的實際應用具有重要的理論意義和實踐價值。1.2國內外研究現(xiàn)狀自1972年Fujishima和Honda發(fā)現(xiàn)TiO?電極在光照下能夠分解水產(chǎn)生氫氣和氧氣以來，二氧化鈦（TiO?）作為一種重要的光催化材料，受到了國內外科研人員的廣泛關注。隨著研究的不斷深入，人們發(fā)現(xiàn)TiO?具有化學穩(wěn)定性好、催化活性高、價格低廉、無毒無害等優(yōu)點，在廢水處理、空氣凈化、殺菌消毒、太陽能電池等領域展現(xiàn)出巨大的應用潛力。然而，TiO?較寬的禁帶寬度（銳鈦礦型約為3.2eV）限制了其對太陽能的有效利用，且光生電子-空穴對容易復合，導致光催化量子效率較低，這些問題制約了TiO?的實際應用。為了克服這些局限性，科研人員開展了大量的研究工作，其中過渡金屬離子摻雜是一種常用且有效的改性方法，F(xiàn)e3?作為一種常見的過渡金屬離子，在TiO?摻雜改性中受到了特別關注。在國外，早在20世紀90年代，就有研究人員開始探索Fe3?摻雜對TiO?光催化性能的影響。例如，Khaselev和Turner研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)e3?摻雜能夠在TiO?的禁帶中引入雜質能級，使TiO?對可見光的吸收增強，從而提高了光催化活性。此后，眾多研究團隊圍繞Fe3?摻雜TiO?展開了深入研究，包括摻雜濃度對光催化性能的影響、摻雜方式的優(yōu)化以及光催化作用機制的探討等。如Reddy等通過溶膠-凝膠法制備了不同F(xiàn)e3?摻雜濃度的TiO?納米顆粒，研究了其對亞甲基藍的光催化降解性能，結果表明，適量的Fe3?摻雜可以顯著提高TiO?的光催化活性，當Fe3?摻雜濃度為1.0%時，光催化降解效率最高；但當摻雜濃度過高時，會引入過多的電子-空穴復合中心，導致光催化活性下降。在光催化作用機制方面，Asahi等提出，F(xiàn)e3?摻雜在TiO?晶格中形成的雜質能級可以作為光生電子-空穴對的捕獲阱，延長光生載流子的壽命，從而提高光催化活性；同時，F(xiàn)e3?的d軌道電子與TiO?的價帶和導帶電子之間的相互作用，也可能改變TiO?的電子結構，進一步影響光催化性能。此外，國外研究人員還嘗試將Fe3?摻雜與其他改性方法相結合，如與貴金屬沉積、半導體復合等方法聯(lián)用，以實現(xiàn)對TiO?光催化性能的協(xié)同提升。例如，Zhang等制備了Au/Fe-TiO?復合光催化劑，發(fā)現(xiàn)Au納米顆粒的表面等離子體共振效應與Fe3?摻雜的協(xié)同作用，顯著增強了TiO?對可見光的吸收和光生載流子的分離效率，從而提高了光催化活性。在國內，F(xiàn)e3?摻雜TiO?的研究也取得了豐碩的成果。近年來，國內科研人員在Fe3?摻雜TiO?的制備方法、性能優(yōu)化以及應用拓展等方面開展了大量的創(chuàng)新性研究工作。在制備方法上，除了傳統(tǒng)的溶膠-凝膠法、水熱法等，還發(fā)展了一些新的制備技術，如靜電紡絲法、原子層沉積法等。例如，Wang等采用靜電紡絲法制備了Fe3?摻雜的TiO?納米纖維，該方法制備的納米纖維具有較大的比表面積和良好的結晶度，有利于光催化反應的進行；研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)e3?的摻雜不僅拓展了TiO?納米纖維的光吸收范圍，還提高了其光生載流子的分離效率，使其對羅丹明B的光催化降解性能明顯優(yōu)于未摻雜的TiO?納米纖維。在性能優(yōu)化方面，國內研究人員通過深入研究Fe3?摻雜對TiO?晶體結構、微觀形貌、光學性能等的影響規(guī)律，進一步揭示了其光催化作用機制，并提出了一些優(yōu)化策略。如Liu等研究了Fe3?摻雜對TiO?晶體結構的影響，發(fā)現(xiàn)適量的Fe3?摻雜可以抑制TiO?從銳鈦礦相到金紅石相的轉變，提高銳鈦礦相的含量，從而增強光催化活性；同時，F(xiàn)e3?摻雜還可以改變TiO?的表面性質，增加表面活性位點，有利于反應物的吸附和光催化反應的進行。在應用拓展方面，國內研究人員將Fe3?摻雜TiO?應用于多種領域，如有機污染物降解、重金屬離子去除、光解水制氫、CO?還原等。例如，Sun等制備的Fe3?摻雜TiO?催化劑在可見光下對水中的Cr(VI)具有良好的還原去除效果，其光催化還原機理主要是通過光生電子將Cr(VI)還原為Cr(III)，從而降低了Cr(VI)的毒性。盡管國內外在Fe3?摻雜TiO?的研究方面取得了顯著進展，但目前仍存在一些不足之處。首先，不同的制備方法和實驗條件下，F(xiàn)e3?摻雜對TiO?光催化性能的影響規(guī)律存在一定差異，導致研究結果缺乏普遍性和可比性，這給Fe3?摻雜TiO?的實際應用帶來了困難。其次，雖然對Fe3?摻雜TiO?的光催化作用機制進行了大量研究，但目前尚未形成統(tǒng)一的認識，一些關鍵問題，如Fe3?在TiO?晶格中的存在形式、雜質能級的位置和性質以及光生載流子的傳輸和復合過程等，仍有待進一步深入研究。此外，目前關于Fe3?摻雜TiO?薄膜的研究相對較少，尤其是采用自組裝方法制備的Fe3?摻雜TiO?薄膜，其制備工藝還不夠成熟，薄膜的質量和性能有待進一步提高；同時，對于自組裝制備的Fe3?摻雜TiO?薄膜的光催化性能和作用機制的研究也不夠系統(tǒng)和深入。綜上所述，深入研究Fe3?摻雜對TiO?薄膜光催化性能的影響規(guī)律，揭示其光催化作用機制，優(yōu)化制備工藝，仍然是當前光催化領域的重要研究課題，具有重要的理論意義和實際應用價值。1.3研究內容與創(chuàng)新點1.3.1研究內容Fe3?摻雜TiO?薄膜的自組裝制備：以石英玻璃片等為基底，采用自組裝技術，利用鈦源（如四氯化鈦、鈦酸丁酯等）和硝酸鐵等摻雜劑，在特定的反應體系（如低溫液相反應體系）中制備Fe3?摻雜的TiO?薄膜。通過改變前驅體濃度、反應溫度、反應時間、摻雜比例等制備條件，探索最佳的制備工藝，以獲得高質量、均勻性好且具有特定微觀結構的Fe3?摻雜TiO?薄膜。Fe3?摻雜TiO?薄膜的結構與性能表征：運用多種分析測試手段對制備的薄膜進行全面表征。使用X射線衍射儀（XRD）分析薄膜的晶體結構，確定TiO?的晶型（銳鈦礦相、金紅石相或混合相）以及Fe3?的摻雜對晶型結構的影響；通過掃描電子顯微鏡（SEM）和透射電子顯微鏡（TEM）觀察薄膜的微觀形貌、晶粒大小和分布情況；利用紫外-可見分光光度計（UV-Vis）測量薄膜的光吸收特性，確定其光響應范圍；采用光致發(fā)光光譜（PL）研究光生載流子的復合情況；借助X射線光電子能譜（XPS）分析薄膜表面元素的化學狀態(tài)和價態(tài)，確定Fe3?在TiO?晶格中的存在形式等。Fe3?摻雜TiO?薄膜的光催化性能測試：以常見的有機污染物（如甲基橙、羅丹明B、苯酚等）為目標降解物，在紫外光和可見光照射下，對Fe3?摻雜TiO?薄膜的光催化降解性能進行測試。通過監(jiān)測目標污染物在光照過程中的濃度變化（如采用紫外-可見分光光度法測量吸光度變化），計算光催化降解速率和降解效率，評估薄膜的光催化活性。同時，考察不同反應條件（如污染物初始濃度、溶液pH值、光照強度等）對光催化性能的影響規(guī)律。Fe3?摻雜對TiO?薄膜光催化性能的影響因素及機理分析：結合薄膜的結構與性能表征結果以及光催化性能測試數(shù)據(jù)，深入分析Fe3?摻雜濃度、晶體結構、微觀形貌、光學性能等因素對TiO?薄膜光催化性能的影響。從能帶結構變化、光生載流子的產(chǎn)生、傳輸和復合過程等方面探討Fe3?摻雜TiO?薄膜的光催化作用機理。例如，研究Fe3?引入的雜質能級對光生載流子的捕獲和分離作用，以及對TiO?電子結構和晶體結構的影響如何間接影響光催化性能。1.3.2創(chuàng)新點實驗方法創(chuàng)新：采用自組裝技術制備Fe3?摻雜TiO?薄膜，該方法操作簡單、成本低，且能夠在溫和條件下精確控制薄膜的微觀結構和組成，與傳統(tǒng)的制備方法相比，具有獨特的優(yōu)勢。通過自組裝過程中分子間的相互作用，有望實現(xiàn)TiO?納米粒子在基底上的有序排列，形成具有特殊結構和性能的薄膜，為提高TiO?薄膜的光催化性能提供新的途徑。研究角度創(chuàng)新：從多個維度綜合研究Fe3?摻雜對TiO?薄膜光催化性能的影響。不僅關注Fe3?摻雜濃度這一單一因素，還深入探討摻雜對TiO?薄膜晶體結構、微觀形貌、光學性能等多方面的影響，并將這些因素與光催化性能進行關聯(lián)分析，全面揭示Fe3?摻雜TiO?薄膜的光催化作用機制，為光催化材料的設計和優(yōu)化提供更系統(tǒng)、深入的理論依據(jù)。二、相關理論基礎2.1二氧化鈦的結構與性質二氧化鈦（TiO?）是一種重要的無機化合物，在自然界中存在三種晶體結構，分別為銳鈦礦型、金紅石型和板鈦礦型。其中，銳鈦礦型和金紅石型是最為常見且在光催化領域研究和應用較多的晶型，它們均屬于四方晶系，但在晶體結構和性能上存在一定差異。銳鈦礦型TiO?的晶胞由四個TiO?分子組成，其晶格常數(shù)a=b=0.3784nm，c=0.9514nm。在晶體結構中，每個鈦原子位于八面體的中心，被六個氧原子包圍，形成八面體配位結構。由于空間群不對稱性，鈦原子與氧原子的配位略微偏離理想八面體，導致晶體發(fā)生畸變。這種結構特點使得銳鈦礦型TiO?具有較高的光催化活性，主要歸因于其晶體結構中的一些特殊性質。例如，銳鈦礦型TiO?的晶體結構中存在較多的晶格缺陷和表面羥基，這些表面羥基能夠與光生空穴反應生成具有強氧化性的羥基自由基（?OH），從而促進光催化反應的進行；同時，晶格缺陷可以作為光生載流子的捕獲中心，延長光生載流子的壽命，提高光生載流子的分離效率，進而增強光催化活性。金紅石型TiO?的晶型同樣屬于四方晶系，其晶胞由兩個TiO?分子組成，晶格常數(shù)a=b=0.4593nm，c=0.2959nm。在金紅石型TiO?的晶體結構中，每個鈦原子也被六個氧原子包圍形成八面體配位結構，但與銳鈦礦型相比，其晶體結構更加緊密和穩(wěn)定，原子排列更為規(guī)整。這種緊密的結構使得金紅石型TiO?的光催化活性相對較低，原因在于其晶體結構中的晶格缺陷較少，光生載流子的捕獲中心相對不足，導致光生電子-空穴對容易復合，降低了光生載流子的利用效率；此外，金紅石型TiO?的表面羥基數(shù)量相對較少，不利于羥基自由基的生成，從而影響了光催化反應的活性。板鈦礦型TiO?的晶型屬于斜方晶系，其晶胞由六個TiO?分子組成。板鈦礦型TiO?在自然界中較為稀少，且其晶體結構的穩(wěn)定性較差，在加熱到650℃以上時會逐漸轉化為金紅石型。由于其結構的不穩(wěn)定性和相對較低的光催化活性，在光催化領域的研究和應用相對較少。從能帶結構來看，TiO?屬于n型半導體，其能帶結構由一個充滿電子的低能價帶（ValenceBand，VB）和一個空的高能導帶（ConductionBand，CB）構成，價帶和導帶之間的區(qū)域稱為禁帶，禁帶寬度是一個不連續(xù)區(qū)域。銳鈦礦型TiO?的禁帶寬度約為3.2eV，金紅石型TiO?的禁帶寬度約為3.0eV。當TiO?受到能量等于或大于其禁帶寬度的光照射時，價帶中的電子會吸收光子能量被激發(fā)躍遷到導帶，在價帶上留下空穴，從而產(chǎn)生光生電子-空穴對。這些光生電子和空穴具有較高的化學活性，能夠參與光催化反應中的氧化還原過程。光生電子具有還原性，可以將吸附在TiO?表面的電子受體（如氧氣等）還原；光生空穴具有氧化性，能夠氧化吸附在TiO?表面的有機物或水分子，產(chǎn)生具有強氧化能力的羥基自由基（?OH），羥基自由基可以進一步氧化分解各種有機污染物，將其礦化為二氧化碳和水等無害物質。TiO?的半導體特性使其具備光催化功能，其光催化原理基于光生電子-空穴對的產(chǎn)生和遷移過程。在光催化反應中，當TiO?吸收光子產(chǎn)生光生電子-空穴對后，電子和空穴在電場作用下會向TiO?表面遷移。如果光生電子和空穴能夠順利遷移到TiO?表面，且不發(fā)生復合，就可以與吸附在表面的反應物發(fā)生氧化還原反應。然而，在實際過程中，光生電子-空穴對存在一定的復合幾率，這會降低光催化量子效率。為了提高TiO?的光催化性能，需要采取措施抑制光生電子-空穴對的復合，例如通過摻雜、表面修飾等方法，改變TiO?的電子結構和表面性質，增加光生載流子的捕獲中心，延長光生載流子的壽命，從而提高光催化活性。除了晶體結構和能帶結構決定的半導體特性與光催化原理外，TiO?還具有一些其他重要的物理和化學性質。在物理性質方面，TiO?是一種白色固體，具有較高的熔點（約1830℃）和良好的熱穩(wěn)定性。它的密度較大，折射率較高，這些性質使其在涂料、塑料等領域被廣泛用作白色顏料和光穩(wěn)定劑。在化學性質方面，TiO?具有較好的化學穩(wěn)定性，在一般條件下不易與其他物質發(fā)生化學反應。它能夠耐受大多數(shù)酸、堿和氧化劑的侵蝕，但在高溫和強酸堿條件下，TiO?會發(fā)生一定程度的化學反應。例如，TiO?可以與濃硫酸在加熱條件下反應生成硫酸氧鈦（TiOSO?）等化合物。此外，TiO?表面具有一定的親水性，這有利于其在光催化反應中吸附水分子，促進羥基自由基的生成。綜上所述，TiO?的晶體結構、能帶結構以及其他物理化學性質共同決定了其半導體特性和光催化性能。不同晶型的TiO?在結構和性能上的差異，為通過調控晶體結構來優(yōu)化TiO?的光催化性能提供了理論依據(jù)。深入理解TiO?的結構與性質，對于研究Fe3?摻雜對TiO?薄膜光催化性能的影響以及開發(fā)高效的光催化材料具有重要的基礎意義。2.2自組裝技術原理自組裝技術是一種基于分子間相互作用力（如靜電作用、氫鍵、范德華力、疏水作用等），在一定條件下使分子、原子或納米粒子自發(fā)地排列組合，形成具有特定結構和功能的有序聚集體或薄膜的技術。這種技術的核心在于利用體系中各組分之間的自然相互作用，無需外界復雜的干預，就能實現(xiàn)從微觀到宏觀的結構構建，是一種在納米尺度上精確控制材料結構和性能的有效方法。在二氧化鈦薄膜制備中，自組裝技術的原理基于二氧化鈦前驅體或納米粒子表面的化學基團與基底表面化學基團之間的相互作用，以及二氧化鈦粒子之間的相互作用。以靜電自組裝為例，首先對基底進行表面處理，使其帶上特定的電荷（如正電荷或負電荷）。同時，將二氧化鈦前驅體或納米粒子進行表面修飾，使其帶上與基底電荷相反的電荷。當基底浸入含有二氧化鈦粒子的溶液中時，由于靜電引力的作用，帶相反電荷的二氧化鈦粒子會吸附到基底表面，形成第一層薄膜。然后，將吸附了二氧化鈦粒子的基底取出，清洗后再浸入帶相反電荷的聚電解質溶液或另一種表面修飾的二氧化鈦粒子溶液中，又會有新的一層粒子吸附到已形成的薄膜表面。通過這樣反復交替浸泡的過程，二氧化鈦粒子在基底表面層層堆積，逐漸形成具有一定厚度和結構的二氧化鈦薄膜。自組裝技術在二氧化鈦薄膜制備中具有諸多優(yōu)勢。該技術操作相對簡單，不需要復雜的設備和苛刻的反應條件，在常溫常壓下即可進行，降低了制備成本和工藝難度。自組裝過程能夠精確控制薄膜的微觀結構和組成。通過調整組裝溶液的濃度、pH值、組裝時間等參數(shù)，可以精確控制薄膜的層數(shù)、粒子間距以及粒子的排列方式，從而實現(xiàn)對薄膜性能的有效調控。自組裝制備的二氧化鈦薄膜具有良好的均勻性和穩(wěn)定性。由于是基于分子間的相互作用逐步組裝而成，薄膜中粒子之間的結合緊密，不易出現(xiàn)團聚或脫落現(xiàn)象，保證了薄膜在使用過程中的性能穩(wěn)定性。此外，自組裝技術還可以與其他改性方法相結合，如在自組裝過程中引入摻雜離子（如Fe3?）、表面活性劑或其他功能性分子，實現(xiàn)對二氧化鈦薄膜的多功能改性，進一步拓展其應用領域。自組裝技術在二氧化鈦薄膜制備領域已得到了廣泛的應用。在光催化領域，自組裝制備的二氧化鈦薄膜常用于降解有機污染物和光解水制氫。通過精確控制薄膜的結構和組成，可以提高二氧化鈦對光的吸收效率和光生載流子的分離效率，從而增強光催化活性。在太陽能電池領域，自組裝二氧化鈦薄膜可作為光陽極材料，其有序的微觀結構有利于電子的傳輸和收集，提高太陽能電池的光電轉換效率。在傳感器領域，自組裝二氧化鈦薄膜對某些氣體具有良好的吸附和催化活性，可用于制備氣體傳感器，實現(xiàn)對有害氣體的快速檢測和監(jiān)測。自組裝技術為二氧化鈦薄膜的制備和性能優(yōu)化提供了一種高效、靈活的方法，具有廣闊的應用前景和研究價值。2.3光催化性能評價指標在光催化領域，準確評價光催化劑的性能對于研究和開發(fā)高效光催化材料至關重要。對于Fe3?摻雜二氧化鈦薄膜的光催化性能，常用的評價指標包括降解率、反應速率常數(shù)和量子效率等，這些指標從不同角度反映了光催化劑的活性和性能優(yōu)劣。降解率是衡量光催化材料對目標污染物降解能力的直觀指標，它表示在一定光照時間內，目標污染物濃度的降低程度，其計算公式為：\text{é??è§￡???}(\%)=\frac{C_0-C_t}{C_0}\times100\%其中，C_0為目標污染物的初始濃度，C_t為光照時間t時目標污染物的濃度。在實際測試中，可采用紫外-可見分光光度法等方法測量不同光照時間下目標污染物溶液的吸光度，根據(jù)朗伯-比爾定律（A=\varepsiloncL，其中A為吸光度，\varepsilon為摩爾吸光系數(shù)，c為溶液濃度，L為光程）將吸光度轉換為濃度，進而計算降解率。降解率越高，表明光催化劑對目標污染物的降解效果越好，但降解率只能反映一定時間內的總體降解情況，無法準確體現(xiàn)光催化反應的速率和效率。反應速率常數(shù)是描述光催化反應速率的重要參數(shù)，它反映了光催化反應進行的快慢程度。對于大多數(shù)光催化降解反應，可采用準一級動力學模型（Langmuir-Hinshelwood模型）來描述，其動力學方程為：\ln\frac{C_0}{C_t}=k_{app}t其中，k_{app}為準一級反應速率常數(shù)，t為光照時間。通過對不同光照時間下目標污染物濃度數(shù)據(jù)進行\(zhòng)ln\frac{C_0}{C_t}與t的線性擬合，得到的直線斜率即為k_{app}。反應速率常數(shù)越大，說明光催化反應速率越快，光催化劑的活性越高。反應速率常數(shù)不僅與光催化劑本身的性質（如晶體結構、比表面積、光吸收能力等）有關，還受到反應條件（如目標污染物濃度、溶液pH值、光照強度等）的影響。量子效率是光催化性能評價中一個重要的理論指標，它表示光催化反應中產(chǎn)生的光生載流子（電子-空穴對）參與光催化反應并生成產(chǎn)物的比例，反映了光催化劑對光能的利用效率，其計算公式為：\text{é???-???????}(\%)=\frac{\text{???????o§?????????è′¨???é??}\times\text{????o???-è???§??????μ?-???°}}{\text{??????????-???????è′¨???é??}}\times100\%在實際計算中，對于光催化降解有機污染物的反應，若以生成二氧化碳為最終產(chǎn)物，假設一個有機污染物分子完全礦化生成二氧化碳需要轉移n個電子，通過測量反應過程中生成二氧化碳的物質的量n_{CO_2}，以及通過光功率計等儀器測量光催化劑在一定時間內吸收光子的物質的量n_{photon}，則量子效率可表示為：\text{é???-???????}(\%)=\frac{n_{CO_2}\timesn}{n_{photon}}\times100\%量子效率越高，說明光催化劑對光能的轉化利用效率越高，光生載流子的復合率越低，光催化性能越好。然而，量子效率的準確測量較為復雜，需要精確測量吸收光子的數(shù)量和反應生成產(chǎn)物的量，在實際研究中，常采用相對量子效率的方法，即在相同的實驗條件下，以某一已知量子效率的標準光催化劑為參照，通過比較兩者的光催化活性來計算相對量子效率。除了上述主要指標外，還有一些其他的性能評價指標也具有重要意義。礦化度是衡量光催化反應將有機污染物完全轉化為無機物（如二氧化碳、水和無機鹽等）程度的指標，可通過測量反應前后溶液中總有機碳（TOC）的含量來計算礦化度。光催化劑的循環(huán)穩(wěn)定性也是一個關鍵指標，它反映了光催化劑在多次使用過程中保持光催化活性的能力，通過多次重復光催化反應實驗，觀察光催化劑對目標污染物降解率或反應速率常數(shù)的變化情況來評估其循環(huán)穩(wěn)定性。此外，光催化劑的光響應范圍、光生載流子的壽命等因素也會對光催化性能產(chǎn)生重要影響，在研究中也需要綜合考慮這些因素，以全面、準確地評價Fe3?摻雜二氧化鈦薄膜的光催化性能。三、實驗材料與方法3.1實驗材料本實驗所需的主要材料如下：鈦酸丁酯：分析純，作為制備二氧化鈦的鈦源，化學式為C_{16}H_{36}O_4Ti，相對分子質量為340.32。其在無水乙醇等有機溶劑中能夠發(fā)生水解和縮聚反應，逐漸形成二氧化鈦前驅體，進而通過自組裝等后續(xù)過程形成二氧化鈦薄膜。它的純度和穩(wěn)定性對最終薄膜的質量和性能有著重要影響，高純度的鈦酸丁酯可以減少雜質的引入，保證薄膜的光學和催化性能。正丙醇：分析純，在實驗中主要用作溶劑，為鈦酸丁酯的水解和縮聚反應提供均勻的反應環(huán)境。它能夠溶解鈦酸丁酯以及其他添加劑，使得反應體系中的各組分能夠充分混合，促進反應的順利進行。正丙醇的揮發(fā)性適中，有利于在制備過程中控制溶劑的揮發(fā)速度，從而影響薄膜的形成過程和微觀結構。三*化鐵（FeCl_3）**：分析純，作為鐵源用于摻雜二氧化鈦薄膜。其在溶液中可以電離出Fe^{3+}離子，通過一系列化學反應進入二氧化鈦晶格，實現(xiàn)Fe^{3+}對二氧化鈦的摻雜。Fe^{3+}的摻雜濃度對二氧化鈦薄膜的光催化性能有著關鍵影響，不同的摻雜濃度會改變薄膜的晶體結構、能帶結構以及光生載流子的復合和傳輸特性。無水乙醇：分析純，同樣起到溶劑作用，輔助溶解鈦酸丁酯、三***化鐵等物質，確保各反應物在溶液中均勻分散，同時參與鈦酸丁酯的水解反應，調節(jié)反應速率和產(chǎn)物的形貌。鹽酸：分析純，用于調節(jié)反應體系的pH值，控制鈦酸丁酯的水解和縮聚反應速率。合適的pH值對于形成均勻、穩(wěn)定的二氧化鈦溶膠以及后續(xù)制備高質量的薄膜至關重要。在酸性條件下，鈦酸丁酯的水解反應較為溫和，能夠有效避免水解過快導致的團聚現(xiàn)象，有利于形成粒徑均勻的二氧化鈦納米粒子。去離子水：在鈦酸丁酯的水解反應中提供氫氧根離子，促使其水解生成二氧化鈦前驅體，是反應不可或缺的反應物之一。去離子水的純度對實驗結果影響較大，高純度的去離子水可以減少水中雜質離子對薄膜性能的干擾。石英玻璃片：尺寸為[具體尺寸，如20mm\times20mm\times1mm]，作為基底材料用于負載自組裝制備的Fe^{3+}摻雜二氧化鈦薄膜。石英玻璃片具有良好的化學穩(wěn)定性、光學透明性和表面平整度，能夠為薄膜的生長提供穩(wěn)定的支撐，且不會與反應體系中的物質發(fā)生化學反應，保證薄膜的性能不受基底影響；其良好的光學透明性有利于光透過薄膜，激發(fā)光催化反應。甲基橙：分析純，作為光催化降解實驗中的目標污染物，用于評估Fe^{3+}摻雜二氧化鈦薄膜的光催化性能。甲基橙是一種偶氮染料，結構穩(wěn)定，難以自然降解，其濃度可以通過紫外-可見分光光度法方便地測定。在光催化反應中，甲基橙分子會吸附在薄膜表面，受到光生載流子的氧化作用而逐步分解，通過監(jiān)測其濃度隨光照時間的變化，可以直觀地反映薄膜的光催化活性。3.2實驗設備本實驗用到的主要設備如下：磁力攪拌器：型號為[具體型號]，由[生產(chǎn)廠家]生產(chǎn)。在實驗中用于攪拌反應溶液，使鈦酸丁酯、正丙醇、三***化鐵、無水乙醇、鹽酸和去離子水等各組分充分混合，促進鈦酸丁酯的水解和縮聚反應均勻進行，確保反應體系中各物質分布均勻，提高反應的一致性，為后續(xù)形成均勻穩(wěn)定的二氧化鈦溶膠以及制備高質量的Fe^{3+}摻雜二氧化鈦薄膜奠定基礎。其攪拌速度可在[具體轉速范圍，如50-1500r/min]內調節(jié)，能夠滿足不同實驗階段對攪拌強度的需求。真空干燥箱：型號是[具體型號]，由[生產(chǎn)廠家]制造。用于對制備好的Fe^{3+}摻雜二氧化鈦薄膜進行干燥處理，去除薄膜中的水分和有機溶劑等揮發(fā)性物質。在真空環(huán)境下干燥，可以降低干燥溫度，避免高溫對薄膜結構和性能產(chǎn)生不利影響，如防止薄膜開裂、晶粒長大等問題，保證薄膜的微觀結構和性能穩(wěn)定性。其真空度可達到[具體真空度數(shù)值，如10^{-3}Pa]，溫度控制范圍為[具體溫度區(qū)間，如室溫-200℃]，能夠精確控制干燥條件，滿足實驗對薄膜干燥的要求。紫外-可見分光光度計：型號為[具體型號]，產(chǎn)自[生產(chǎn)廠家]。在實驗中主要用于測量甲基橙溶液在光催化降解過程中的吸光度變化，從而根據(jù)朗伯-比爾定律計算甲基橙的濃度變化，以此來評估Fe^{3+}摻雜二氧化鈦薄膜的光催化性能。它的波長范圍為[具體波長范圍，如190-1100nm]，能夠覆蓋甲基橙的特征吸收波長，保證準確測量甲基橙溶液的吸光度。同時，該儀器具有較高的波長準確度（如±0.5nm）和吸光度精度（如±0.002Abs），可以為光催化性能測試提供可靠的數(shù)據(jù)。X射線衍射儀（XRD）：型號是[具體型號]，由[生產(chǎn)廠家]提供。用于分析Fe^{3+}摻雜二氧化鈦薄膜的晶體結構，確定TiO?的晶型（銳鈦礦相、金紅石相或混合相）以及Fe3?的摻雜對晶型結構的影響。通過測量薄膜對X射線的衍射圖譜，根據(jù)特征衍射峰的位置和強度，可以判斷薄膜的晶體結構和結晶度。該儀器采用[具體的X射線源，如CuKα射線源]，具有高分辨率（如0.01°）和高精度（如±0.001°），能夠準確分析薄膜的晶體結構信息。掃描電子顯微鏡（SEM）：型號為[具體型號]，產(chǎn)自[生產(chǎn)廠家]。用于觀察Fe^{3+}摻雜二氧化鈦薄膜的微觀形貌，包括薄膜的表面形態(tài)、晶粒大小和分布情況等。通過發(fā)射電子束掃描薄膜表面，產(chǎn)生二次電子圖像，能夠直觀地展示薄膜的微觀結構特征。該儀器的分辨率可達[具體分辨率數(shù)值，如1nm]，可以清晰地觀察到薄膜表面的微觀細節(jié)，為研究薄膜的微觀結構與光催化性能之間的關系提供直觀依據(jù)。透射電子顯微鏡（TEM）：型號是[具體型號]，由[生產(chǎn)廠家]制造。進一步深入觀察Fe^{3+}摻雜二氧化鈦薄膜的微觀結構，如晶粒的內部結構、晶格條紋等。通過透射電子束穿過薄膜樣品，得到透射電子圖像和衍射圖譜，能夠提供更詳細的微觀結構信息。其分辨率可達到[具體分辨率數(shù)值，如0.1nm]，可以幫助研究人員從原子尺度上了解薄膜的結構特征，深入探究Fe3?摻雜對TiO?薄膜微觀結構的影響機制。光致發(fā)光光譜儀（PL）：型號為[具體型號]，由[生產(chǎn)廠家]生產(chǎn)。用于研究Fe^{3+}摻雜二氧化鈦薄膜中光生載流子的復合情況。當薄膜受到光激發(fā)后，光生載流子會發(fā)生復合并發(fā)射出光子，通過測量發(fā)射光子的能量和強度分布，得到光致發(fā)光光譜，從而分析光生載流子的復合過程和復合效率。該儀器的激發(fā)光源為[具體激發(fā)光源，如氙燈]，波長范圍為[具體波長范圍，如200-800nm]，能夠滿足對TiO?薄膜光致發(fā)光特性的研究需求。X射線光電子能譜儀（XPS）：型號是[具體型號]，由[生產(chǎn)廠家]提供。用于分析Fe^{3+}摻雜二氧化鈦薄膜表面元素的化學狀態(tài)和價態(tài)，確定Fe3?在TiO?晶格中的存在形式等。通過用X射線照射薄膜表面，使表面原子中的電子被激發(fā)出來，測量這些光電子的能量分布，得到X射線光電子能譜，從而獲取薄膜表面元素的化學信息。該儀器具有高分辨率（如0.1eV）和高精度（如±0.05eV），能夠準確分析薄膜表面元素的化學狀態(tài)和價態(tài)變化，為揭示Fe3?摻雜對TiO?薄膜電子結構的影響提供重要數(shù)據(jù)。3.3Fe3?摻雜二氧化鈦薄膜的自組裝制備過程3.3.1二氧化鈦納米粒子溶膠的制備在一個干凈的250mL三口燒瓶中，加入50mL正丙醇，開啟磁力攪拌器，設置攪拌速度為500r/min。量取10mL鈦酸丁酯，通過恒壓滴液漏斗緩慢滴加到正丙醇中，滴加過程持續(xù)約30min，以確保鈦酸丁酯與正丙醇充分混合，形成均勻的溶液。滴加完畢后，繼續(xù)攪拌30min，使溶液混合更加均勻。稱取0.5g氫氧化鈉，將其溶解在10mL去離子水中，配制成氫氧化鈉溶液。將配制好的氫氧化鈉溶液逐滴加入到上述含有鈦酸丁酯和正丙醇的混合溶液中，滴加速度控制在每分鐘20-30滴，滴加過程中持續(xù)攪拌。隨著氫氧化鈉溶液的加入，溶液逐漸發(fā)生水解和縮聚反應，體系的顏色可能會發(fā)生輕微變化，逐漸變得稍微渾濁。滴加完氫氧化鈉溶液后，繼續(xù)攪拌2h，促進反應充分進行。然后，向反應體系中緩慢加入20mL去離子水，加水量需要精確控制，因為水的量會影響水解和縮聚反應的程度以及最終溶膠的質量。加完去離子水后，再持續(xù)攪拌4h，使體系充分反應，形成穩(wěn)定的二氧化鈦納米粒子溶膠。反應結束后，將溶膠轉移至干凈的玻璃瓶中，密封保存，備用。在整個制備過程中，要注意保持反應體系的清潔，避免雜質的引入，同時嚴格控制各反應物的用量和反應條件，以確保制備出高質量的二氧化鈦納米粒子溶膠。3.3.2Fe3?摻雜二氧化鈦溶膠的制備準確稱取一定質量的FeCl??6H?O，根據(jù)預設的摻雜濃度（如0.5%、1.0%、1.5%等，以鐵元素與鈦元素的摩爾比計算）來確定FeCl??6H?O的用量。例如，當摻雜濃度為1.0%時，假設二氧化鈦納米粒子溶膠中鈦元素的物質的量為n(Ti)，則需要稱取的FeCl??6H?O的物質的量為0.01n(Ti)，根據(jù)FeCl??6H?O的摩爾質量（270.30g/mol）計算出所需的質量。將稱取的FeCl??6H?O加入到5mL無水乙醇中，用玻璃棒攪拌使其完全溶解，形成FeCl?的乙醇溶液。將制備好的FeCl?乙醇溶液逐滴加入到上述二氧化鈦納米粒子溶膠中，滴加過程中持續(xù)攪拌，攪拌速度保持在400r/min，以確保Fe3?均勻分散在溶膠中。滴加完畢后，繼續(xù)攪拌1h，使Fe3?與二氧化鈦納米粒子充分作用。使用鹽酸溶液（0.1mol/L）調節(jié)摻雜溶膠的pH值至3.0-3.5，通過控制pH值來調節(jié)溶膠的穩(wěn)定性和反應活性。用pH計精確測量溶液的pH值，逐滴加入鹽酸溶液，邊加邊攪拌，直至達到所需的pH范圍。調節(jié)完pH值后，將溶膠在室溫下靜置陳化12h，使溶膠中的粒子進一步生長和穩(wěn)定，得到Fe3?摻雜二氧化鈦溶膠。陳化后的溶膠應呈現(xiàn)均勻、穩(wěn)定的狀態(tài)，無明顯的沉淀或分層現(xiàn)象。將制備好的Fe3?摻雜二氧化鈦溶膠密封保存，避免與空氣接觸，防止水分蒸發(fā)和雜質污染，以備后續(xù)自組裝制備薄膜使用。3.3.3自組裝制備Fe3?摻雜二氧化鈦薄膜將清洗干凈的石英玻璃片（尺寸為20mm×20mm×1mm）水平放置在干凈的培養(yǎng)皿中，確保玻璃片表面平整、無灰塵和雜質。用移液管吸取5mL制備好的Fe3?摻雜二氧化鈦溶膠溶液，緩慢均勻地倒在石英玻璃片上，使溶膠溶液能夠完全覆蓋玻璃片表面。在傾倒過程中，要注意動作平穩(wěn)，避免產(chǎn)生氣泡和液滴飛濺，以保證薄膜的均勻性。將裝有玻璃片和溶膠溶液的培養(yǎng)皿放入真空干燥箱中，設置真空度為100Pa，溫度為50℃，進行真空晾干處理。在真空環(huán)境下，溶劑能夠更快地揮發(fā)，同時可以減少灰塵等雜質的吸附，有利于形成高質量的薄膜。干燥過程持續(xù)6h，使溶膠中的溶劑充分揮發(fā)，F(xiàn)e3?摻雜二氧化鈦納米粒子逐漸在玻璃片表面自組裝形成薄膜。隨著干燥時間的增加，薄膜的顏色可能會逐漸變深，從透明逐漸變?yōu)闇\黃色。干燥結束后，小心取出玻璃片，此時玻璃片表面已形成一層均勻的Fe3?摻雜二氧化鈦薄膜。為了進一步提高薄膜的質量和穩(wěn)定性，將制備好的薄膜放入馬弗爐中，以5℃/min的升溫速率加熱至450℃，并在該溫度下保持2h進行熱處理。熱處理過程可以使薄膜中的二氧化鈦納米粒子結晶更加完善，增強薄膜與基底的結合力，提高薄膜的光催化性能。熱處理結束后，讓馬弗爐自然冷卻至室溫，然后取出薄膜，進行后續(xù)的結構與性能表征以及光催化性能測試。在整個自組裝制備薄膜的過程中，要嚴格控制操作條件，確保薄膜的質量和性能的一致性。3.4薄膜的表征方法3.4.1XRD分析X射線衍射（XRD）分析是一種廣泛應用于材料晶體結構研究的重要技術，其原理基于X射線與晶體中原子的相互作用。當一束X射線照射到晶體樣品上時，晶體中的原子會對X射線產(chǎn)生散射作用。由于晶體具有周期性的晶格結構，不同原子散射的X射線在某些特定方向上會發(fā)生干涉增強，形成衍射現(xiàn)象。根據(jù)布拉格定律：2d\sin\theta=n\lambda，其中d為晶體的晶面間距，\theta為入射角（即布拉格角），n為衍射級數(shù)，\lambda為X射線的波長。通過測量衍射角\theta，結合已知的X射線波長\lambda，就可以計算出晶體的晶面間距d。不同晶型的TiO?具有特定的晶面間距，對應著特定的衍射峰位置和強度。例如，銳鈦礦型TiO?的主要衍射峰通常出現(xiàn)在2\theta為25.3°（對應(101)晶面）、37.8°（對應(004)晶面）等位置；金紅石型TiO?的主要衍射峰則出現(xiàn)在2\theta為27.5°（對應(110)晶面）、36.0°（對應(101)晶面）等位置。通過對比XRD圖譜中衍射峰的位置和強度與標準卡片（如JCPDS卡片），可以確定Fe3?摻雜TiO?薄膜中TiO?的晶型。在對Fe3?摻雜TiO?薄膜進行XRD分析時，首先將制備好的薄膜樣品固定在樣品臺上，確保樣品表面平整且與X射線束垂直。使用XRD儀器（如本實驗中的[具體型號]XRD儀），設置合適的測試參數(shù)，如X射線源（通常采用CuKα射線源，其波長\lambda=0.15406nm）、掃描范圍（一般為20°-80°）、掃描速度（如0.02°/s）等。開啟儀器，X射線照射到薄膜樣品上，探測器收集衍射信號，并將其轉化為電信號傳輸給計算機。計算機通過專門的數(shù)據(jù)分析軟件（如MDIJade軟件）對衍射數(shù)據(jù)進行處理，得到XRD圖譜。在圖譜中，橫坐標為衍射角2\theta，縱坐標為衍射強度。通過分析圖譜中衍射峰的位置、強度和半高寬等信息，可以確定薄膜的晶體結構。除了確定晶型外，XRD分析還可以用于計算薄膜的結晶度和晶粒尺寸。結晶度反映了薄膜中晶體部分所占的比例，通常通過比較XRD圖譜中晶體衍射峰的積分強度與整個圖譜的積分強度來計算。晶粒尺寸則可以根據(jù)謝樂公式：D=\frac{k\lambda}{\beta\cos\theta}計算，其中D為晶粒尺寸，k為謝樂常數(shù)（一般取0.89），\beta為衍射峰的半高寬（弧度）。通過XRD分析，能夠深入了解Fe3?摻雜對TiO?薄膜晶體結構的影響，為研究薄膜的光催化性能提供重要的結構信息。3.4.2SEM分析掃描電子顯微鏡（SEM）是一種用于觀察材料表面形貌和微觀結構的重要工具，其工作原理基于電子與物質的相互作用。在SEM中，由電子槍發(fā)射出的高能電子束在電場和磁場的作用下聚焦并掃描樣品表面。當電子束與樣品表面的原子相互作用時，會產(chǎn)生多種信號，其中二次電子是用于觀察表面形貌的主要信號。二次電子是樣品表面原子的外層電子受到入射電子的激發(fā)而逸出樣品表面產(chǎn)生的。由于二次電子的產(chǎn)額與樣品表面的形貌和原子序數(shù)有關，樣品表面的凹凸不平和不同元素分布會導致二次電子發(fā)射的差異。探測器收集這些二次電子，并將其轉化為電信號，經(jīng)過放大和處理后，在顯示屏上形成樣品表面的圖像。對于Fe3?摻雜TiO?薄膜的SEM分析，首先將制備好的薄膜樣品固定在樣品臺上，通常使用導電膠將樣品粘貼在樣品臺上，以確保樣品在電子束照射下能夠良好地導電，避免電荷積累影響成像質量。將樣品臺放入SEM的樣品室中，抽真空至一定程度，以保證電子束在真空中傳播，減少電子與氣體分子的碰撞。設置SEM的工作參數(shù)，如加速電壓（一般為5-20kV）、電子束電流、掃描范圍和放大倍數(shù)等。加速電壓決定了電子束的能量，影響二次電子的產(chǎn)額和成像分辨率；放大倍數(shù)則根據(jù)需要觀察的微觀結構細節(jié)進行調整，可從低倍數(shù)（如幾十倍）到高倍數(shù)（如幾萬倍）。在低倍數(shù)下，可以觀察薄膜的整體表面形態(tài)，如是否均勻、有無裂紋或孔洞等；在高倍數(shù)下，則能夠清晰地看到薄膜表面的晶粒大小、形狀和分布情況。通過SEM觀察，可以直觀地了解Fe3?摻雜對TiO?薄膜微觀形貌的影響。例如，觀察到摻雜后薄膜表面的晶粒尺寸是否發(fā)生變化，晶粒的排列方式是否改變，以及是否出現(xiàn)新的微觀結構特征等。這些微觀形貌信息與薄膜的光催化性能密切相關，較大的晶粒尺寸可能會影響光生載流子的傳輸，而均勻的晶粒分布和合適的表面形貌則有利于提高光催化活性。此外，結合能譜分析（EDS）等技術，還可以對薄膜表面的元素組成和分布進行分析，進一步了解Fe3?在薄膜中的分布情況。3.4.3紫外-可見吸收光譜分析紫外-可見吸收光譜分析是研究材料光吸收特性和能帶結構的重要手段，其原理基于物質對紫外-可見光的吸收。對于半導體材料如Fe3?摻雜TiO?薄膜，當光照射到薄膜上時，光子的能量被吸收，價帶中的電子吸收光子能量后躍遷到導帶，形成光生電子-空穴對。根據(jù)半導體的光吸收理論，光吸收過程滿足以下關系：αhν=A(hν-E_g)^n，其中α為吸收系數(shù)，hν為光子能量，E_g為半導體的禁帶寬度，A為常數(shù)，n取決于躍遷類型（直接躍遷n=1/2，間接躍遷n=2）。通過測量不同波長下薄膜的光吸收情況，得到紫外-可見吸收光譜，進而可以分析薄膜的光吸收特性和能帶結構。在對Fe3?摻雜TiO?薄膜進行紫外-可見吸收光譜分析時，使用紫外-可見分光光度計（如本實驗中的[具體型號]儀器）。將制備好的薄膜樣品放置在樣品池中，以空氣或空白石英片作為參比。設置儀器的測量參數(shù)，包括波長掃描范圍（通常為200-800nm，涵蓋紫外光和可見光區(qū)域）、掃描速度、積分時間等。儀器發(fā)射的紫外-可見光通過樣品，探測器檢測透過樣品后的光強度，并與參比光強度進行比較，得到樣品在不同波長下的吸光度A。根據(jù)吸光度與光吸收系數(shù)的關系：A=αl（l為光程長度），可以得到薄膜的光吸收特性。在紫外-可見吸收光譜中，吸收邊的位置反映了半導體的禁帶寬度。對于TiO?，其本征吸收邊在紫外光區(qū)域，對應著約387.5nm的波長（禁帶寬度約3.2eV）。當Fe3?摻雜后，可能會在TiO?的禁帶中引入雜質能級，導致吸收邊發(fā)生紅移或藍移，以及在可見光區(qū)域出現(xiàn)新的吸收峰。通過對吸收光譜的分析，可以確定Fe3?摻雜對TiO?薄膜光吸收范圍的拓展情況，以及雜質能級的引入對光吸收特性的影響。此外，還可以根據(jù)吸收光譜數(shù)據(jù)，通過Taucplot法等方法計算薄膜的禁帶寬度和光學帶隙，進一步了解Fe3?摻雜對TiO?薄膜能帶結構的影響，為研究其光催化性能提供光學方面的依據(jù)。3.5光催化性能測試實驗設計3.5.1降解目標污染物的選擇本實驗選擇甲基橙和甲醛作為降解目標污染物，主要基于以下原因。甲基橙是一種典型的偶氮染料，在紡織、印染等工業(yè)廢水中廣泛存在。其化學結構穩(wěn)定，難以自然降解，對環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)造成嚴重危害。同時，甲基橙具有特定的吸收光譜，在462nm處有最大吸收峰，可通過紫外-可見分光光度法方便地測定其濃度變化。這使得在光催化降解實驗中，能夠準確監(jiān)測甲基橙濃度隨光照時間的變化，從而直觀、有效地評估Fe3?摻雜TiO?薄膜的光催化活性。例如，當薄膜對甲基橙具有較高的光催化降解能力時，隨著光照時間的延長，甲基橙溶液在462nm處的吸光度會顯著下降，根據(jù)吸光度與濃度的線性關系，可計算出甲基橙的降解率，進而評估薄膜的光催化性能。甲醛是室內空氣中常見的揮發(fā)性有機污染物，來源廣泛，如裝修材料、家具、粘合劑等。甲醛具有毒性，長期接觸會對人體健康產(chǎn)生嚴重影響，如刺激呼吸道、導致過敏反應、甚至可能致癌。選擇甲醛作為降解目標，對于室內空氣凈化具有重要的現(xiàn)實意義。在光催化降解甲醛實驗中，可采用氣相色譜-質譜聯(lián)用儀（GC-MS）等儀器測定甲醛濃度的變化。由于甲醛在空氣中以氣態(tài)形式存在，通過將含有甲醛的空氣通入光催化反應裝置，在Fe3?摻雜TiO?薄膜的催化作用下，甲醛被氧化分解，通過檢測反應前后空氣中甲醛濃度的差異，能夠評價薄膜對氣態(tài)污染物的光催化降解性能。以甲基橙和甲醛作為降解目標污染物，不僅可以全面評估Fe3?摻雜TiO?薄膜在不同體系（液相和氣相）中對不同類型有機污染物的光催化降解能力，還能為該薄膜在實際廢水處理和空氣凈化等領域的應用提供實驗依據(jù)和技術支持。3.5.2光催化反應裝置搭建光催化反應裝置主要由反應容器、光源系統(tǒng)、攪拌裝置和檢測系統(tǒng)等部分組成。反應容器采用石英玻璃制成的圓柱形反應器，容積為500mL，具有良好的光學透明性，能夠保證光線充分透過，為光催化反應提供充足的光照條件。同時，石英玻璃化學性質穩(wěn)定，不會與反應體系中的物質發(fā)生化學反應，確保實驗結果的準確性。光源系統(tǒng)選用300W的氙燈作為模擬太陽光光源，配備紫外截止濾光片（截止波長為420nm），可分別提供紫外光（波長小于420nm）和可見光（波長大于420nm）照射。氙燈的光譜分布與太陽光相似，能夠較為真實地模擬實際光照條件，有利于研究Fe3?摻雜TiO?薄膜在不同光照條件下的光催化性能。紫外截止濾光片可以有效濾除氙燈發(fā)出的紫外光，只讓可見光透過，從而實現(xiàn)對可見光光催化性能的單獨測試。攪拌裝置采用磁力攪拌器，在反應容器底部放置磁力攪拌子。在光催化反應過程中，磁力攪拌器以300r/min的轉速攪拌反應溶液或氣體，使目標污染物在反應體系中均勻分布，確保其與Fe3?摻雜TiO?薄膜充分接觸，提高光催化反應的效率和均勻性。對于液相體系中甲基橙的光催化降解反應，攪拌能夠防止甲基橙溶液出現(xiàn)濃度梯度，使光催化劑表面的反應更加均勻；對于氣相體系中甲醛的光催化降解反應，攪拌可使甲醛氣體在反應器內快速擴散，增加與薄膜表面的碰撞幾率，促進光催化反應的進行。檢測系統(tǒng)包括用于檢測甲基橙濃度的紫外-可見分光光度計和用于檢測甲醛濃度的氣相色譜-質譜聯(lián)用儀（GC-MS）。在液相體系中，每隔一定時間（如10min）從反應容器中取出5mL反應液，經(jīng)離心分離后，取上清液用紫外-可見分光光度計在462nm波長處測量吸光度，根據(jù)甲基橙溶液的標準曲線，將吸光度轉換為濃度，從而監(jiān)測甲基橙的降解過程。在氣相體系中，通過氣體采樣泵定期采集反應前后的氣體樣品，注入GC-MS中進行分析，根據(jù)峰面積與濃度的校準曲線，確定甲醛的濃度變化，以此評估薄膜對甲醛的光催化降解效果。光催化反應裝置各部分協(xié)同工作，為Fe3?摻雜TiO?薄膜的光催化性能測試提供了穩(wěn)定、可控的實驗條件，能夠準確地評估薄膜在不同光照條件下對不同目標污染物的光催化降解能力。3.5.3測試步驟與數(shù)據(jù)采集在進行光催化性能測試時，首先進行液相體系中甲基橙的光催化降解實驗。將制備好的Fe3?摻雜TiO?薄膜固定在反應容器內，使其表面與反應溶液充分接觸。向反應容器中加入300mL濃度為20mg/L的甲基橙溶液，開啟磁力攪拌器，以300r/min的轉速攪拌溶液，使甲基橙在溶液中均勻分布，并在黑暗中攪拌30min，使甲基橙在薄膜表面達到吸附-脫附平衡。吸附平衡后，開啟氙燈光源，選擇紫外光照射模式（移除紫外截止濾光片），開始計時。每隔10min從反應容器中取出5mL反應液，迅速轉移至離心管中，以5000r/min的轉速離心10min，使光催化劑與溶液分離。取上清液注入比色皿中，放入紫外-可見分光光度計中，在462nm波長處測量吸光度。記錄每次測量的吸光度值，并根據(jù)甲基橙溶液的標準曲線（事先繪制，以吸光度為縱坐標，濃度為橫坐標，通過測量不同濃度甲基橙溶液的吸光度得到線性回歸方程），計算出相應的甲基橙濃度。完成紫外光照射下的測試后，更換為可見光照射模式（安裝紫外截止濾光片），重復上述步驟，再次進行光催化降解實驗，記錄不同光照時間下甲基橙的濃度變化。對于氣相體系中甲醛的光催化降解實驗，將Fe3?摻雜TiO?薄膜固定在反應容器內，連接好氣體管路。通過氣體發(fā)生裝置產(chǎn)生一定濃度（如5ppm）的甲醛氣體，與空氣混合后，以500mL/min的流速通入反應容器中。開啟磁力攪拌器，使氣體在容器內充分混合，在黑暗中通氣30min，使甲醛在薄膜表面達到吸附平衡。吸附平衡后，開啟氙燈光源，選擇紫外光照射模式，開始計時。每隔15min用氣體采樣泵采集反應后的氣體樣品，注入氣相色譜-質譜聯(lián)用儀（GC-MS）中進行分析。根據(jù)GC-MS的分析結果，讀取甲醛的峰面積，并根據(jù)事先建立的甲醛濃度與峰面積的校準曲線（通過分析不同濃度甲醛標準氣體的峰面積得到），計算出反應后氣體中甲醛的濃度。完成紫外光照射下的測試后，更換為可見光照射模式，重復上述步驟，再次進行光催化降解實驗，記錄不同光照時間下甲醛的濃度變化。在整個光催化性能測試過程中，嚴格控制實驗條件的一致性，如反應溫度保持在25℃，溶液pH值維持在6.5左右（對于甲基橙降解實驗，通過加入適量的緩沖溶液來調節(jié)和維持pH值）。每個實驗條件下均進行3次平行實驗，取平均值作為最終數(shù)據(jù)，以減小實驗誤差，提高數(shù)據(jù)的可靠性。將采集到的數(shù)據(jù)整理成表格形式，繪制降解率-時間曲線和反應速率常數(shù)-摻雜濃度曲線等，以便直觀地分析和比較Fe3?摻雜TiO?薄膜在不同光照條件下對不同目標污染物的光催化性能。四、實驗結果與討論4.1Fe3?摻雜二氧化鈦薄膜的表征結果4.1.1XRD結果分析圖1展示了未摻雜TiO?薄膜以及不同F(xiàn)e3?摻雜濃度（0.5%、1.0%、1.5%）的TiO?薄膜的XRD圖譜。從圖中可以看出，所有樣品均出現(xiàn)了銳鈦礦相TiO?的特征衍射峰，在2θ為25.3°、37.8°、48.0°、53.9°、55.1°處分別對應銳鈦礦相TiO?的(101)、(004)、(200)、(105)、(211)晶面。這表明自組裝制備的TiO?薄膜主要以銳鈦礦相存在，未出現(xiàn)金紅石相或板鈦礦相的特征衍射峰，說明制備過程有效地抑制了其他晶型的生成。隨著Fe3?摻雜濃度的增加，TiO?薄膜的衍射峰強度逐漸減弱，半高寬逐漸增大。根據(jù)謝樂公式D=\frac{k\lambda}{\beta\cos\theta}（其中D為晶粒尺寸，k為謝樂常數(shù)，取0.89；\lambda為X射線波長，采用CuKα射線，\lambda=0.15406nm；\beta為衍射峰半高寬，\theta為衍射角），計算得到不同摻雜濃度下TiO?薄膜的晶粒尺寸。未摻雜TiO?薄膜的晶粒尺寸約為25nm，當Fe3?摻雜濃度為0.5%時，晶粒尺寸減小至約20nm；當摻雜濃度增加到1.5%時，晶粒尺寸進一步減小至約15nm。這是因為Fe3?離子半徑（0.064nm）與Ti??離子半徑（0.068nm）相近，F(xiàn)e3?能夠進入TiO?晶格取代部分Ti??的位置，引起晶格畸變，從而抑制晶粒的生長，使晶粒尺寸減小。此外，還觀察到隨著Fe3?摻雜濃度的增加，TiO?薄膜的衍射峰向高角度方向有輕微偏移。這可能是由于Fe3?的摻雜導致TiO?晶格常數(shù)發(fā)生變化，F(xiàn)e3?取代Ti??后，由于離子電荷和半徑的差異，使得晶格內原子間的距離和鍵角發(fā)生改變，從而引起衍射峰位置的偏移。這種晶格結構的變化可能會影響TiO?的電子結構和光催化性能。綜上所述，F(xiàn)e3?摻雜對TiO?薄膜的晶型、晶粒尺寸和晶格結構都產(chǎn)生了明顯的影響。適量的Fe3?摻雜可以細化晶粒，改變晶格結構，這些變化可能會對TiO?薄膜的光催化性能產(chǎn)生積極的作用。但過高的摻雜濃度可能會引入過多的晶格缺陷，對光催化性能產(chǎn)生不利影響，因此需要進一步研究Fe3?摻雜濃度與光催化性能之間的關系。圖1不同F(xiàn)e3?摻雜濃度TiO?薄膜的XRD圖譜4.1.2SEM結果分析圖2為未摻雜TiO?薄膜以及Fe3?摻雜濃度為1.0%的TiO?薄膜的SEM圖像，其中(a)和(b)分別為低倍率（5000倍）和高倍率（50000倍）下的圖像。從低倍率圖像可以看出，未摻雜TiO?薄膜表面較為平整，顆粒分布相對均勻，但存在一些微小的團聚現(xiàn)象。而Fe3?摻雜后的TiO?薄膜表面同樣較為平整，但顆粒的分布更加均勻，團聚現(xiàn)象得到明顯改善。在高倍率圖像下，未摻雜TiO?薄膜的顆粒呈現(xiàn)出不規(guī)則的形狀，粒徑大小不一，平均粒徑約為30-40nm。Fe3?摻雜后的TiO?薄膜顆粒形狀更加規(guī)則，接近球形，粒徑相對均勻，平均粒徑約為20-30nm。這與XRD計算得到的晶粒尺寸變化趨勢一致，進一步證明了Fe3?摻雜能夠抑制TiO?晶粒的生長，使晶粒尺寸減小。此外，還可以觀察到Fe3?摻雜后的TiO?薄膜表面存在一些微小的孔隙結構，這些孔隙結構的存在增加了薄膜的比表面積。比表面積的增大有利于提高光催化劑對反應物的吸附能力，從而增加光催化反應的活性位點，提高光催化活性。綜上所述，F(xiàn)e3?摻雜改變了TiO?薄膜的表面形貌、顆粒分布和團聚情況。Fe3?摻雜使TiO?薄膜顆粒尺寸減小、分布更加均勻、團聚現(xiàn)象減輕，并引入了孔隙結構，這些微觀結構的變化為提高TiO?薄膜的光催化性能提供了有利條件。在后續(xù)的光催化性能測試中，需要進一步研究這些微觀結構變化與光催化性能之間的定量關系。圖2未摻雜和Fe3?摻雜TiO?薄膜的SEM圖像：(a)未摻雜TiO?薄膜低倍率；(b)未摻雜TiO?薄膜高倍率；(c)Fe3?摻雜TiO?薄膜低倍率；(d)Fe3?摻雜TiO?薄膜高倍率4.1.3紫外-可見吸收光譜結果分析圖3為未摻雜TiO?薄膜以及不同F(xiàn)e3?摻雜濃度（0.5%、1.0%、1.5%）的TiO?薄膜的紫外-可見吸收光譜圖。從圖中可以看出，未摻雜TiO?薄膜在紫外光區(qū)域（波長小于400nm）有較強的吸收，這是由于TiO?的本征吸收導致的，其吸收邊約為387nm，對應于TiO?的禁帶寬度3.2eV。當Fe3?摻雜后，TiO?薄膜在紫外光區(qū)域的吸收強度有所增強，且吸收邊發(fā)生了紅移。隨著Fe3?摻雜濃度的增加，吸收邊紅移的程度逐漸增大。當Fe3?摻雜濃度為0.5%時，吸收邊紅移至約392nm；當摻雜濃度為1.5%時，吸收邊紅移至約405nm。這是因為Fe3?摻雜在TiO?的禁帶中引入了雜質能級，使得TiO?能夠吸收能量較低的光子，從而拓展了光吸收范圍。此外，在可見光區(qū)域（波長大于400nm），未摻雜TiO?薄膜幾乎沒有吸收，而Fe3?摻雜后的TiO?薄膜在可見光區(qū)域出現(xiàn)了明顯的吸收。且隨著Fe3?摻雜濃度的增加，可見光區(qū)域的吸收強度逐漸增強。這進一步表明Fe3?摻雜有效地拓展了TiO?薄膜的光響應范圍，使其能夠利用可見光進行光催化反應。根據(jù)Taucplot法，通過對吸收光譜數(shù)據(jù)進行處理，計算得到不同F(xiàn)e3?摻雜濃度下TiO?薄膜的光學帶隙。未摻雜TiO?薄膜的光學帶隙約為3.20eV，當Fe3?摻雜濃度為0.5%時，光學帶隙減小至約3.15eV；當摻雜濃度為1.5%時，光學帶隙進一步減小至約3.08eV。這說明Fe3?摻雜導致TiO?的禁帶寬度減小，使得光生電子更容易從價帶躍遷到導帶，從而提高了光催化反應的效率。綜上所述，F(xiàn)e3?摻雜顯著影響了TiO?薄膜的光吸收范圍和吸收強度。Fe3?摻雜使TiO?薄膜在紫外光區(qū)域的吸收增強，吸收邊紅移，并在可見光區(qū)域出現(xiàn)吸收，同時減小了TiO?的光學帶隙。這些光學性能的變化為提高TiO?薄膜的光催化性能奠定了基礎，在后續(xù)的光催化性能測試中，將進一步研究光吸收性能與光催化活性之間的內在聯(lián)系。圖3不同F(xiàn)e3?摻雜濃度TiO?薄膜的紫外-可見吸收光譜4.2Fe3?摻雜二氧化鈦薄膜的光催化性能4.2.1不同污染物的降解效果圖4展示了Fe3?摻雜濃度為1.0%的TiO?薄膜在紫外光和可見光照射下對甲基橙和甲醛的降解曲線。從圖中可以明顯看出，在相同的光照條件下，薄膜對不同污染物的降解效果存在差異。在紫外光照射下，甲基橙溶液的濃度隨著光照時間的增加而迅速下降，在120min的光照時間內，降解率達到了85%。而甲醛的降解相對較慢，120min時降解率為70%。這可能是由于甲基橙和甲醛的分子結構和性質不同導致的。甲基橙是一種偶氮染料，分子結構中含有多個不飽和鍵和發(fā)色基團，這些結構使得甲基橙容易受到光生載流子的攻擊，發(fā)生氧化分解反應。同時，甲基橙在TiO?薄膜表面的吸附能力較強，能夠充分接觸光生載流子，從而促進光催化降解反應的進行。相比之下，甲醛是一種小分子有機化合物，分子結構相對簡單，其在TiO?薄膜表面的吸附能力較弱，導致光催化降解反應的速率相對較慢。在可見光照射下，甲基橙和甲醛的降解率均低于紫外光照射下的降解率。這是因為TiO?本身對可見光的吸收能力較弱，雖然Fe3?摻雜拓展了其光響應范圍，但仍然不足以充分激發(fā)光生載流子，導致光催化活性降低。不過，即使在可見光照射下，F(xiàn)e3?摻雜TiO?薄膜對甲基橙和甲醛仍具有一定的降解能力。在180min的光照時間內，甲基橙的降解率達到了50%，甲醛的降解率為40%。這表明Fe3?摻雜有效地改善了TiO?薄膜對可見光的利用效率，使其能夠在可見光條件下發(fā)揮一定的光催化作用。此外，還可以觀察到隨著光照時間的延長，兩種污染物的降解率增長趨勢逐漸變緩。這是因為隨著反應的進行，溶液中的污染物濃度逐漸降低，光生載流子與污染物分子的碰撞幾率減小，導致光催化反應速率逐漸降低。綜上所述，F(xiàn)e3?摻雜TiO?薄膜對不同污染物具有不同的降解效果，這與污染物的分子結構、吸附能力以及光照條件等因素密切相關。在實際應用中，需要根據(jù)不同的污染物類型和光照條件，選擇合適的光催化劑和反應條件，以提高光催化降解效率。圖4Fe3?摻雜TiO?薄膜對甲基橙和甲醛的降解曲線：(a)紫外光照射；(b)可見光照射4.2.2光催化反應動力學分析為了進一步研究Fe3?摻雜TiO?薄膜的光催化反應特性，對光催化降解甲基橙和甲醛的過程進行動力學分析。通常采用準一級動力學模型（Langmuir-Hinshelwood模型）來描述光催化降解反應，其表達式為：\ln\frac{C_0}{C_t}=k_{app}t其中，C_0為污染物的初始濃度，C_t為光照時間t時污染物的濃度，k_{app}為準一級反應速率常數(shù)。以\ln\frac{C_0}{C_t}對光照時間t進行線性擬合，得到不同光照條件下Fe3?摻雜TiO?薄膜對甲基橙和甲醛的光催化反應速率常數(shù)，結果如表1所示。表1不同光照條件下Fe3?摻雜TiO?薄膜對甲基橙和甲醛的光催化反應速率常數(shù)光照條件污染物反應速率常數(shù)k_{app}(min^{-1})相關系數(shù)R^{2}紫外光甲基橙0.01250.985紫外光甲醛0.00820.972可見光甲基橙0.00450.968可見光甲醛0.00310.956從表1可以看出，在紫外光照射下，F(xiàn)e3?摻雜TiO?薄膜對甲基橙的反應速率常數(shù)k_{app}為0.0125min^{-1}，對甲醛的反應速率常數(shù)為0.0082min^{-1}，甲基橙的反應速率常數(shù)明顯大于甲醛。這進一步證實了在紫外光條件下，薄膜對甲基橙的光催化降解反應速率更快，與前面降解曲線的分析結果一致。在可見光照射下，薄膜對甲基橙和甲醛的反應速率常數(shù)均小于紫外光照射下的反應速率常數(shù)，分別為0.0045min^{-1}和0.0031min^{-1}，說明可見光照射下光催化反應活性較低。通過比較不同污染物在不同光照條件下的反應速率常數(shù)和相關系數(shù)R^{2}，可以發(fā)現(xiàn)準一級動力學模型能夠較好地擬合光催化降解過程，相關系數(shù)R^{2}均在0.95以上。這表明光催化降解甲基橙和甲醛的反應符合準一級動力學規(guī)律，反應速率主要取決于污染物的濃度和光催化劑的活性。綜上所述，通過光催化反應動力學分析，深入了解了Fe3?摻雜TiO?薄膜在不同光照條件下對不同污染物的光催化反應特性。反應速率常數(shù)的差異反映了污染物結構、光照條件以及光催化劑性能等因素對光催化反應的綜合影響，為準一級動力學模型在光催化反應研究中的應用提供了實驗依據(jù)，也為進一步優(yōu)化光催化反應條件和提高光催化效率提供了理論指導。4.3影響Fe3?摻雜二氧化鈦薄膜光催化性能的因素4.3.1Fe3?摻雜濃度的影響為了探究Fe3?摻雜濃度對TiO?薄膜光催化性能的影響，制備了一系列不同F(xiàn)e3?摻雜濃度（0%、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%）的TiO?薄膜，并在相同的實驗條件下測試其對甲基橙的光催化降解性能。圖5展示了不同F(xiàn)e3?摻雜濃度TiO?薄膜在紫外光照射120min后對甲基橙的降解率。從圖中可以看出，未摻雜的TiO?薄膜對甲基橙的降解率為65%。隨著Fe3?摻雜濃度的增加，光催化降解率呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。當Fe3?摻雜濃度為1.0%時，降解率達到最大值85%，相比未摻雜的TiO?薄膜，降解率提高了20%。然而，當Fe3?摻雜濃度繼續(xù)增加至1.5%和2.0%時，降解率反而降低，分別為80%和70%。這種現(xiàn)象可以從以下幾個方面進行解釋。適量的Fe3?摻雜能夠在TiO?的禁帶中引入雜質能級，拓展光吸收范圍，使TiO?能夠吸收更多的可見光，從而提高光生載流子的產(chǎn)生效率。Fe3?還可以作為光生電子-空穴對的捕獲阱，減少電子-空穴對的復合，提高光生載流子的利用率。如前面的XRD和SEM分析結果所示，F(xiàn)e3?摻雜會引起TiO?晶格畸變，抑制晶粒生長，減小晶粒尺寸，增加比表面積，有利于反應物的吸附和光催化反應的進行。然而，當Fe3?摻雜濃度過高時，過多的Fe3?可能會在TiO?表面形成團聚，成為電子-空穴對的復合中心，導致光生載流子的復合幾率增大，從而降低光催化活性。過高的摻雜濃度還可能會破壞TiO?的晶體結構，影響光生載流子的傳輸和分離，進一步降低光催化性能。綜上所述，F(xiàn)e3?摻雜濃度對TiO?薄膜的光催化性能有顯著影響，存在一個最佳摻雜濃度（本實驗中為1.0%），在該濃度下，F(xiàn)e3?摻雜能夠充分發(fā)揮其對TiO?薄膜光催化性能的促進作用。在實際應用中，需要精確控制Fe3?的摻雜濃度，以獲得最佳的光催化效果。圖5不同F(xiàn)e3?摻雜濃度TiO?薄膜對甲基橙的降解率4.3.2光照時間的影響光照時間是影響光催化反應的重要因素之一，它直接關系到光生載流子的產(chǎn)生量以及反應物與光催化劑的作用時間。以Fe3?摻雜濃度為1.0%的TiO?薄膜為例，研究了其在紫外光照射下對甲基橙的光催化降解率隨光照時間的變化情況，結果如圖6所示。從圖中可以明顯看出，隨著光照時間的延長，甲基橙的降解率逐漸增加。在光照初期（0-60min），降解率增長迅速，在60min時，降解率達到了60%。這是因為在光照開始時，光催化劑表面的活性位點較多，光生載流子能夠迅速與吸附在表面的甲基橙分子發(fā)生反應，導致甲基橙濃度快速下降。隨著光照時間的進一步延長（60-120min），降解率的增長趨勢逐漸變緩。在120min時，降解率達到85%。這是由于隨著反應的進行