Die Einführung von Seltenerdelementen in TiO2 kann die Elektron-Loch-Trennung von TiO2 effektiv verbessern und die Reaktion von TiO2 auf sichtbares Licht verlängern.
Cerium (Ce) zeigt variable Valenzzustände Ce3+/Ce4+ mit unterschiedlichen elektronischen Strukturen (4f15d0 bzw. 4f05d0) unter Seltenerdelementen, die leicht Sauerstoffleerstellen bilden. Das Ce-Element mit einzigartiger elektronischer Struktur kann verwendet werden, um Halbleiter-Photokatalysatoren zu modifizieren, um ihre photokatalytische Leistung zu verbessern.
In einer Studie veröffentlicht in Moleküledie Forschungsgruppe unter der Leitung von Prof. Lu Canzhong vom Fujian Institute of Research on the Structure of Matter der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, berichtete über die Absorption von sichtbarem Licht durch Ce/TiO2.
Die Forscher erreichten die gleichzeitige Dotierung von Ce im TiO2-Gitter unter Verwendung eines einfachen Sol-Gel-Verfahrens, das eine synchrone Ce-Dotierung im Gitter von TiO2 erreichte. Sie beobachteten Morphologie und Struktur der Proben aus reinem TiO2, Ce-dotiertem TiO2 (Ce/TiO2) und CeO2-gemischtem TiO2 (CeO2-TiO2) durch Röntgenbeugung (XRD), Rasterelektronenmikroskopie (REM) und Transmissionselektronen Mikroskopie (TEM). Sie fanden heraus, dass Ce-Dotierung im Gitter von Anatas-TiO2 zu einer kleineren Korngröße der Probe führte.
Darüber hinaus zeigten die Forscher die hohe Photostromdichte (10,9 μA × cm-2) von Ce/TiO2 durch lineare Sweep-Voltammetrie (LSV)-Test, die 2,5-mal höher ist als die von herkömmlichem TiO2-Material (4,3 μA × cm-2). Sie bewerteten den Lichtabsorptionsbereich von Ce/TiO2 mithilfe eines Tests zur Einfalls-Photo-Strom-Effizienz (IPCE). Ce/TiO2 zeigt sichtbare Lichtabsorption bis zu 500 nm, während reines TiO2 keine offensichtliche Reaktion im sichtbaren Bereich zeigt.
Darüber hinaus enthüllten die Forscher, dass die durch Ce-Dotierung in das TiO2-Gitter gebildeten Elektroneneinfangzentren die Trenneffizienz von photogenerierten Elektronen und Löchern verbesserten. Die schmale Bandlücke von Ce-dotiertem TiO2 zeigte eine hervorragende Absorption von sichtbarem Licht und Photostrom-Reaktion. Aufgrund der Ce-Dotierung erreichten die Ce/TiO2-Proben eine hohe Photostromdichte und einfallende Photonenstromeffizienz (IPCE).
Diese Studie bietet eine praktische Strategie und eine wichtige Referenz für die Herstellung und das Verständnis von hocheffizienten, durch sichtbares Licht aktivierten, mit seltenen Erden dotierten Photokatalysatoren.
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Mei-Hong Tong et al, Cerium Synchronous Doping in Anatas for Enhanced Photocatalytic Hydrogen Production from Ethanol-Water Mixtures, Moleküle (2023). DOI: 10.3390/molecules28062433