还原气氛烧结对铁离子掺杂氧化钛晶体微观结构和物理化学性质的影响

项目名称： 还原气氛烧结对铁离子掺杂氧化钛晶体微观结构和物理化学性质的影响

项目编号： No.51262021

项目类型： 地区科学基金项目

立项/批准年度： 2013

项目学科： 一般工业技术

项目作者： 史志铭

作者单位： 内蒙古工业大学

项目金额： 50万元

中文摘要： 目前关于铁离子掺杂氧化钛结构与性能的研究主要集中于三价铁离子掺杂（氧化性气氛烧结），因为人们一直认为只有Fe3+能够替换Ti4+。前期研究发现还原气氛中烧结可导致Fe2+和Ti3+离子产生，理论分析和实验表明Fe2+也能够替换Ti3+和Ti4+离子，在氧化钛晶体中也有很高的固溶度，并且预示了更强的光吸收性能。本项目将针对溶胶－凝胶法制备的铁离子掺杂的氧化钛粉体和薄膜，研究还原烧结工艺和铁离子掺杂对烧结产物微观结构（氧空位浓度、晶格常数、锐钛矿/金红石晶体粒度和相组成）、离子形态（各价态钛/铁离子的比例，电子结合能、铁离子自旋状态）和物理化学性质（光吸收、光催化、光电转换）的影响。还原气氛烧结引入的Fe2+、Ti3+离子和氧空位缺陷更有利于激发电子-空穴对并且抑制它们的复合。通过优化还原烧结工艺和铁离子掺杂量，合理控制各价态离子的比例和氧空位浓度，期望进一步改善其物理化学性质。

中文关键词： 氧化钛；纳米结构；掺杂；还原处理；性能

英文摘要： The research on microstructure and properties of Fe-doped titania focuses on the Fe3+-doping (oxidation atmosphere sintering) at present. because the researchers has regarded that only Fe3+ can substitute for Ti4+. Early research indicated that, Fe2+ can also substitute for Ti3+ and Ti4+, having a large solubility in the titania crystals. which showed a stronger photo-absorption behavior. Therefore, the present project will, against the Fe-doped titania powders and thin films prepared by a sol-gel route, study the effects of reduction sintering process and Fe-doping on microstructure (ratio and electronic conbination energy of Ti/Fe ions with all of the valances, oxygen vacancy concentration, spin state of Fe ions, lattice constant, granularity and phase composition of anatase and rutile crystals) and physicochemistry properties (photoabsorption, photocatalysis, photovoltaics). The feature of the project is that, Fe2+ and Ti3+ ions, as well as oxygen vacancy will be introduced by sintering in the reduction atmosphere. By optimizing the sintering process and doping content, controlling the suitable ionic ratio and oxygen vacancy concentration, it is hopeful to stimulate more electron-hole pairs and inhibit their reconbination, and further improve the physicochemical properties of the titania crystals.

英文关键词： titania；nanostructure；doping；reductive annealing；properties