载体空心微珠Ag掺杂TiO2光催化剂性能及第一性原理分析

doi:10.12422/j.issn.1672-6952.2025.02.005

辽宁石油化工大学学报 ›› 2025, Vol. 45 ›› Issue (2): 38-45.DOI: 10.12422/j.issn.1672-6952.2025.02.005

载体空心微珠Ag掺杂TiO₂光催化剂性能及第一性原理分析

郝国栋¹(), 孙浩轩¹, 李聪²()

^1.牡丹江师范学院化学化工学院，黑龙江牡丹江 157011
^2.牡丹江师范学院物理与电子工程学院，黑龙江牡丹江 157011

收稿日期:2024-10-22 修回日期:2024-12-03 出版日期:2025-04-25 发布日期:2025-04-18
通讯作者: 李聪
作者简介:郝国栋（1971⁃），男，博士，教授，博士生导师，从事金属表面处理、光催化和电池等方面的研究；E⁃mail：haoguodong163@163.com。
基金资助:
国家自然科学基金项目(51672120);双一流学科协同创新成果建设项目(LJGXCG2022?132);黑龙江省教育厅科研平台专项项目(1453PT006);黑龙江省自然科学基金项目(LH2023E101);牡丹江师范学院教学改革项目(SJGYB2024687)

Performance of Carrier Hollow Microsphere Silver Doped Titanium Dioxide Photocatalyst and First⁃Principles Analysis

Guodong HAO¹(), Haoxuan SUN¹, Cong LI²()

^1.School of Chemistry and Chemical Engineering，Mudanjiang Normal University，Mudanjiang Heilongjiang 157011，China
^2.School of Physics and Electronic Engineering，Mudanjiang Normal University，Mudanjiang Heilongjiang 157011，China

Received:2024-10-22 Revised:2024-12-03 Published:2025-04-25 Online:2025-04-18
Contact: Cong LI

摘要/Abstract

摘要：

采用溶胶凝胶法制备了n（Ag⁺）/n（Ti⁴⁺）分别为0.001、0.003、0.005、0.010、0.030和0.050的Ag掺杂的粉体及陶瓷空心微珠负载TiO₂光催化剂；通过SEM、XRD和Uv?Vis DRS等手段对所制备的催化剂进行了表征分析，并以氙灯为光源对其光催化性能进行了测试；结合第一性原理，对掺杂机理进行了分析。结果表明，0.005Ag?TiO₂粉体在90 min光催化测试中对10 mg/L亚甲基蓝的降解率为76%，最佳n（Ag⁺）/n（Ti⁴⁺）为0.005，陶瓷空心微珠负载型催化剂90 min光催化测试的降解率为97%；Ag掺杂能够在TiO₂体系中引入杂质能级，使价带电子可以通过分级跃迁的方式到达导带，计算结果与实验结果的变化趋势相一致。

关键词: TiO₂, 空心微珠, 光催化, Ag掺杂, 可见光, 第一性原理

Abstract:

Silver?doped powders with n（Ag⁺）/n（Ti⁴⁺） of 0.001、0.003、0.005、0.010、0.030 and 0.050 and ceramic hollow microspheres loaded with titanium dioxide photocatalyst were prepared by sol?gel method. The prepared catalysts were characterized by SEM, XRD and Uv?Vis DRS, and their photocatalytic properties were tested under xenon lamp light source. The doping mechanism was analyzed using first?principles calculations.The results show that the degradation rate of 0.005Ag?TiO₂ powder after photocatalytic degradation of 10 mg/L methylene blue for 90 min is 76%. It is concluded that n（Ag⁺）/n（Ti⁴⁺）=0.005 is the best doping amount, and the degradation rate of ceramic hollow microsphere supported catalyst for 90 min is 97%. Ag doping can introduce impurity energy levels in the TiO₂ system, so that the valence band electrons can reach the conduction band by hierarchical transition. The calculation results are consistent with the experimental results.

Key words: TiO₂, Hollow microspheres, Photocatalytic, Silver doped, Visible light, First principle

中图分类号:

O643.36

郝国栋, 孙浩轩, 李聪. 载体空心微珠Ag掺杂TiO₂光催化剂性能及第一性原理分析[J]. 辽宁石油化工大学学报, 2025, 45(2): 38-45.

Guodong HAO, Haoxuan SUN, Cong LI. Performance of Carrier Hollow Microsphere Silver Doped Titanium Dioxide Photocatalyst and First⁃Principles Analysis[J]. Journal of Liaoning Petrochemical University, 2025, 45(2): 38-45.

图/表 10

图1 4×4×2超胞模型正视图和俯视图（a）正视图（b）俯视图

Fig.1 Front view and top view of 4×4×2 supercell model

图2 0.005Ag?TiO2@CHMB的SEM照片

Fig.2 SEM photo of 0.005Ag?TiO2@CHMB

图3 粉体催化剂、负载型催化剂和载体的XRD谱图

Fig.3 XRD patterns of powder catalyst, supported catalyst and carrier

图4 TiO2、0.005Ag?TiO2和0.005Ag?TiO2@CHMB的紫外可见漫反射图及相应的禁带宽度

Fig.4 UV?Vis diffuse reflectance spectra and corresponding band gap Eg of TiO2, 0.005Ag?TiO2 and 0.005Ag?TiO2@CHMB

图5 亚甲基蓝吸光度标准曲线

Fig.5 Methylene blue absorbance standard curve

图6 Ag?TiO2对亚甲基蓝的降解率随n（Ag+）/n（Ti4+）的变化曲线

Fig.6 The degradation rate of methylene blue on Ag?TiO2 varied with n (Ag+)/n(Ti4 +)

图7 0.005Ag?TiO2和0.005Ag?TiO2@CHMB对亚甲基蓝的降解率随反应时间的变化曲线

Fig.7 Degradation of methylene blue by 0.005 Ag?TiO2 and 0.005Ag?TiO2@CHMB with reaction time

图8 纯锐钛矿TiO2和xAg?TiO2的态密度

Fig.8 Density of states of pure anatase TiO2 and xAg?TiO2

图9 纯锐钛矿TiO2和xAg?TiO2的超晶胞能带结构

Fig.9 Band structures of pure anatase TiO2 and xAg?TiO2 supercell

图10 xAg?TiO2的吸收光谱

Fig.10 Absorption spectra of xAg?TiO2

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Performance of Carrier Hollow Microsphere Silver Doped Titanium Dioxide Photocatalyst and First⁃Principles Analysis

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