Mg2+掺杂对TiO2晶型转变的纳米粒子调控与机理研究

本研究论文深入探讨了Mg2+掺杂对TiO2粉末晶型转变的影响及其机理。作者以钛酸丁酯、无水乙醇和硝酸镁为主要原料，通过溶胶-凝胶法制备了一系列不同Mg2+掺杂浓度的TiO2粉末。使用X射线衍射(XRD)、透射电子显微镜(TEM)以及热重分析(TG-DTA)对粉末的晶体结构、粒径大小和形貌进行了详尽的表征。 结果显示，未经掺杂的TiO2粉末平均粒径约为60纳米，而当Mg2+的物质的量分数达到1.0%时，粉末粒径显著减小到40纳米左右。这表明Mg2+的掺入能够有效地调控粉末的粒径，可能是通过改变合成过程中溶剂和沉淀反应的动态平衡来实现的。 更引人注目的是，研究发现Mg2+的掺杂显著延缓了TiO2从锐钛矿型向金红石型的晶型转变。随着Mg2+掺杂量的增加，这种转变变得更加困难，甚至当Mg2+/Ti4+的比例达到2.0%时，Mg2+已经完全溶解在TiO2中并形成了MgTi2O4，此时XRD谱图中出现了MgTi2O4的特征峰。这说明Mg2+的存在可能改变了TiO2的晶体生长环境，阻止了其向着更稳定的金红石型转变。 Mg2+的掺杂阻碍了TiO2的晶型转变，原因可能在于它引入了额外的能级，导致禁带宽度减小，从而增加了对可见光的吸收能力，这对于提高TiO2的光催化性能至关重要。特别是在自然光条件下，这种改进对于拓宽TiO2的应用范围，如提高污水处理、气体净化和光催化杀菌效率等方面具有重要意义。 这篇论文不仅提供了关于Mg2+掺杂对TiO2晶型转变影响的实验证据，还为优化TiO2粉末的制备和应用，特别是在光催化领域，提供了有价值的理论指导。通过适当地控制Mg2+的掺杂量，可以制备出具有更高热稳定性和光催化性能的锐钛矿型TiO2粉末。这一发现对于推动TiO2基光催化剂的研究和发展具有重要的学术价值。