基于金属有机框架热解的Co掺杂TiO2的制备及其光催化性能

doi:10.12422/j.issn.1672-6952.2026.03.005

摘要/Abstract

摘要：

半导体掺杂是构建杂质能级、减小带隙，进而促进半导体材料光电催化性能的有效方法。设计了一种金属掺杂半导体材料的制备方法，将过渡金属Co与金属有机框架(MOF)MIL?125的阴离子配体通过配位作用相结合，采用热解工艺制备Co掺杂TiO₂材料，并对其光催化性能进行了研究。结果表明，Co掺杂后的TiO₂展现出更高的光电流密度(9.87 μA/cm²)，是未掺杂TiO₂的3.8倍；降解反应速率常数从掺杂前的0.041 min?1提升至掺杂后的0.063 min?1；引入的Co物种不仅拓宽了TiO₂的可见光吸收范围，而且在其晶格中诱导形成新的杂质能级，进而促进了光生电子的有效迁移，并有效抑制了光生电子?空穴对的复合。

关键词: MOF热解, Co掺杂, TiO₂, 光电催化

Abstract:

Semiconductor doping can promote the photoelectrocatalytic application of semiconductor materials by constructing impurity energy levels and reducing the band gap. In this paper, we designed a preparation method for metal?doped semiconductor materials. The transition metal Co was combined with the anionic ligand of the metal?organic framework (MOF)MIL?125 through coordination. Then, the Co?doped TiO₂ was obtained through pyrolysis, and its performance in photocatalysis was studied. The results showed that the co?doped TiO₂ exhibits a high photocurrent density (9.87 μA/cm²), which is 3.8 times of the undoped TiO₂. Meanwhile, the degradation reaction rate constant also significantly increases from 0.041 min?1 before doping to 0.063 min?1 after doping. The incorporation of Co species not only extends the visible?light absorption edge of TiO₂ but also introduces well?defined impurity energy levels within its bandgap, thereby facilitating efficient separation and migration of photogenerated charge carriers while significantly suppressing electron?hole recombination.

Key words: MOF pyrolysis, Co?doped, TiO₂, Photoelectrocatalysis

中图分类号:

TQ134.1

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图/表 10

图1 热解前驱体Co?TiO2的制备过程与机理

Fig.1 The preparation process and mechanism of the pyrolysis precursor Co?TiO2

图2 热解前驱体的Zeta电位测试

Fig.2 Zeta potential measurements of the precursor materials

图3 Co?MIL?125的TG?DSC曲线

Fig.3 TG?DSC curve of Co?MIL?125

图4 前驱体及所制备材料的XRD谱图

Fig.4 XRD patterns of precursor and prepared material

图5 前驱体及所制备材料的SEM图

Fig.5 SEM images of precursor and prepared material

图6 Co?TiO2的XPS谱图

Fig.6 XPS spectra of Co?TiO2

图7 Co?TiO2和TiO2的紫外可见吸收光谱图、Tauc plot谱图、Mott?Schottky谱图和XPS价带谱图

Fig.7 UV?Vis absorption spectra, Tauc plots, Mott?Schottky plots, and XPS valence band spectra of Co?TiO2 and pristine TiO2

图8 Co?TiO2和TiO2的OCP曲线、光电流响应和EIS谱图（a） OCP曲线（b）光电流响应（c） EIS谱图

Fig.8 OCP curves, photocurrent response and EIS spectrum of Co?TiO2 and TiO2

图9 Co?TiO2和TiO2的电流密度差相对扫描速度曲线及ESCA线性拟合结果和线性伏安扫描曲线（a）电流密度差与扫描速度的关系（b）阳极极化曲线（c）阴极极化曲线

Fig.9 Charge difference vs scan rate curves, ESCA fitting results and Linear Sweep Voltammetry curves of Co?TiO2 and TiO2

图10 Co?TiO2和TiO2的光催化降解罗丹明B曲线及一级反应动力学拟合曲线

Fig.10 Photodegradation profiles of rhodamine B over Co?TiO2 and pristine TiO2 and the pseudo?first?order kinetic fitting curves

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Synthesis of Co⁃Doped TiO₂ via Pyrolysis of Metal Organic Framework for Photoelectrocatalysis Performance

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