纳米TiO₂半导体是光催化和太阳能电池研究中很具吸引力的光电极材料。但TiO₂只有吸收紫外光时才能形成电子-空穴对,且电子和空穴很容易复合,使其光电催化活性降低,阻碍了TiO₂的实际应用。因此如何进一步提高其光电转换效率成为研究的热点。其中金属离子掺杂改性TiO₂的研究倍受关注,但对其改性的机理众说纷纭,并无统一结论。研究金属离子掺杂TiO₂薄膜电极光电催化性能和作用机理对提高TiO₂光电转换效率及作为太阳能电池光阳极的开发具有一定的理论与应用价值。本文采用电极表面结构表征、电化学表征及吸收光谱等手段研究了La³⁺、Cd²⁺的掺杂对纳米TiO₂薄膜电极光催化氧化甲醇行为及电极/溶液界面结构参数的影响。主要内容如下: 1.制备了不同浓度La³⁺、Cd²⁺掺杂,不同煅烧温度的TiO₂薄膜电极应用于甲醇光电氧化。SEM、XRD表征及单扫描伏安图表明:在一定范围内,La³⁺、Cd²⁺的掺杂使TiO₂电极表面均匀,粒径小,有利于产生光生电子/空穴对;通过紫外可见吸收光谱表征,一定量的La³⁺、Cd²⁺掺杂使纳米TiO₂薄膜电极的吸收边带发生了红移,薄膜电极的吸收光谱范围向可见光区拓展。适量离子的掺杂能够提高光催化甲醇的活性。 2.适宜的煅烧温度可部分引起品格畸变,使催化剂表面的无序品格缺陷发生了变化,致使其催化活性和选择性也发生改变。本实验条件下,掺杂nLa³⁺/n_TiO2为0.5%的La³⁺/TiO₂电极煅烧450℃,掺杂nCd²⁺/nTiO2为0.5%的Cd²⁺/TiO₂电极煅烧400℃可获得最大光电流。 3.甲醇吸附在电极表面被氧化,电极反应开始存在活化过程。光电流随溶液中甲醇浓度的增加而增加,存在一个浓度极限,酸性和碱性环境有利于生成·OH,因此最大光电流值对应的甲醇浓度比中性溶液中有所增加。强碱性环境中具有比水亲核性强的OH^-取代水而优先吸附于TiO₂粒子表面,反应时更易生成·OH,电极在碱性溶液中的氧化能力更强。 4.瞬态光电流响应直观地反映了光照对电极光催化氧化甲醇的影响。La³⁺和Cd²⁺外层电子排布不同,光照下,掺杂过渡金属镉时电流随光照时间延长可以逐渐达到稳态,但掺杂稀土元素镧时电流一直保持增加趋势。