NiFe2O4/N-TiO2的制备与表征
1.1光催化的研究背景
随着社会不断进步经济高速发展，化工能源不断的消耗导致环境污染日益严重。能源危机和环境污染制约着整个人类社会的可持续发展，如何寻找到最有效的办法来解决面临的这两大难题是当今人们关注和研究的重点。在众多的解决这一难题的方法中，半导体光催化技术主要是将太阳能转化为化学能的途径，在太阳光的诱导下，半导体光催化剂将产生光生空穴和电子，利用空穴的强氧化性和电子的还原性来进行氧化还原反应达到太阳能向化学能转换。例如半导体光催化技术可以利用太阳光裂解水制氢提供清洁能源[2]，降解有机污染物解决污染问题[3]，还原一些重金属离子实现对水的净化。而且半导体光催化技术相比于其他技术具有反应条件温和，操作简单，无毒无害，不产生二次污染等无可比拟的优势。所以，从解决能源危机和环境污染问题的角度综合考虑，半导体光催化技术有望成为解决这些问题的一条重要有效途径。制备高效的光催化剂是光催化技术中重要的关键部分。目前，对于大多数的单组分半导体光催化剂都存在着可见光吸收效果差，光生电子空穴复合率高，催化效率低，光量子利用率低等问题，所以提高光催化剂的催化性能迫在眉睫。
1.2 半导体光催化的机理
图 1-1 半导体中电子激发及迁移过程示意图[4]
Fig.1-1 Electron excitation and transference of semiconduc
半导体的能带结构由充满电子的低能价带（VB）和空的高能导带(CB)组成，价带和导带之间存在的一个区域称为禁带，区域的大小即禁带宽度（Eg）。半导体光催化基本原理如图 1-1 所示。当半导体吸收大于或等于其禁带宽度（Eg）的光子能量后，价带上的电子（e-）被激发进入导带，同时价带上留下相应的空穴（h ）。在电场的作用下，光生电子-空穴对向半导体表面迁移，一方面在表面（途径A）和体相（途径B）发生复合猝灭，吸收的光能以热能形式释放；另一方面迁移至表面还没有复合的光生电子和光生空穴在半导体表面形成氧化还原体系，光生电子作为强的还原剂，光生空穴作为强的氧化剂，直接或间接地氧化和还原大多数有机物和无机物（途径C 和途径D）[5]。
光催化剂的改性研究进展
改性的目的和作用包括提高激发电荷分离，抑制载流子复合以提高量子效率；扩大起作用光的波长范围；改变产物的选择性或产率；提高光催化材料的稳 定性等。研究表明，通过对半导体材料沉积贵金属、离子掺杂、光敏化及表面还原处理等方法引入杂或缺陷旨助于改善TiO2的光吸收，提高稳态光降解量子效率及光催化效能。
1.3.1半导体表面贵金属淀积
方奕文等[6]采用溶胶-凝胶法制备了Pd修饰的TiO2。Pd的沉积可以有效抑制TiO2晶粒的生长和团聚, 提高样品的相转变温度以及对波长大于350nm光的吸收。当Pd的掺杂量为0.3% (Pd与Ti物质的量比) 时, Pd微粒的存在使金属晶核-半导体体系形成一个超微闭路光电化学电池, 电子在金属Pd上富集, 减少了TiO2表面的电子浓度, 降低光生电子和空穴的复合概率, 使催化剂表面产生更多的光生空穴。Pd掺杂量为0.3%的改性TiO2对气相甲苯的降解效率为45.1%, 比改性前提高了25.1%。
1.3.2半导体的金属离子掺杂
1990年，最先发现在半导体中掺杂不同价态的金属离子后，半导体的催化性质被改变。掺杂光催化剂 TiO2金属离子一般包括过渡金属离子、稀土金属离 子 、贵金属离子等，但掺杂 TiO2的光催化活性与掺杂离子的种类、浓度、制备方法以及后处理等多种因素都有关系。半导体中掺杂不同的金属离子，引起的变化是不一样的，它不仅可能加强半导体的光催化作用，还可能使半导体的吸收波长范围扩展至可见光区域。然而只有一些特定的金属离子有利于提高光量子效率，其它金属离子的掺杂反而是有害的。许多研究表明，金属离子掺杂具有一个最佳浓度。适当的过渡金属离子掺杂可以在半导体晶体中引入品格缺陷，使之形成更多的光催化活性位，但过多的掺杂量会增加催化剂表面载流子复合中心的数目，使活性下降。
1.3.3半导体的非金属离子掺杂
自2001年，Asashi 等在science上报道N掺杂可以使TiO2带隙变窄具有可见光活性后，非金属离子掺杂改性TiO2开始进入人们的视野，并得到广泛的研究。与金属离子掺杂不同，非金属离子不易成为电子-空穴复合的中心，因为在提高TiO2光催化活性方面更为有效。目前研究较多的非金属离子掺杂有C、N、S、P、F、B等，其中N掺杂TiO2被认为是最有效的改性方法。关于N掺杂使TiO2 光吸收范围移至可见光区，催化活性提高的机理一直以来备受争议，没有达成普遍共识。Asashi等认为，N掺杂进入TiO2晶格后，N的2p轨道和O2的2p轨道发生杂化，形成新的轨道能级，使禁带宽度减小，光响应范围扩大。Irie等[7]则认为，N掺杂使O22p价带以上形成了一个独立的N2p窄带，从而引起N掺杂 TiO2具有可见光响应。还有学者认为，N掺杂促使TiO2产生氧空位，氧空位可以在半导体的导带和价带之间形成缺陷能级，改变电子被激发的路线，使电子在可见光下就能从价带激发到导带[8]。
1.3.4共掺杂
利用金属离子和非金属离子单掺杂改性TiO2的研究均取得了一定的成果，
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