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

doi:10.12422/j.issn.1672-6952.2025.02.005

Abstract

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

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

CLC Number:

O643.36

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Figures/Tables 10

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

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

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

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

Fig.5 Methylene blue absorbance standard curve

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

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

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

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

Fig.10 Absorption spectra of xAg?TiO2

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