铌酸盐（Nb?O?）中Ta和Cd的新型双重掺杂方法制备出中空球体，这些球体在染料降解和氢气生成方面表现出优异性能：实验与理论分析

《International Journal of Hydrogen Energy》：Novel dual incorporation of Ta and Cd in Nb 2O 5 netted hollow spheres for an excellent dye degradation and enhanced hydrogen production: An experimental and theoretical analysis

通过共沉淀法成功制备了Ta和Cd共掺杂的Nb?O?纳米球结构，优化样品（Ta?.??Cd?.??Nb?.??O?）在可见光下表现出98.5%的甲基蓝降解率和16.3 mmol/g·h的产氢效率，其 band gap reduced至2.12 eV，电子空穴复合率降低。理论计算与实验结果一致，验证了共掺杂对光催化性能的提升机制。

　　本研究围绕一种新型材料——铌酸盐（Nb?O?）的制备及其与钽（Ta）和镉（Cd）共同掺杂后的性能变化展开。通过一种简便的共沉淀法，研究人员成功合成了纯 Nb?O? 以及不同掺杂比例的 Ta 和 Cd 共掺杂 Nb?O? 纳米颗粒，旨在评估这些材料在光催化降解甲基蓝（Methylene blue, MB）染料方面的有效性。研究结果表明，通过合理控制 Ta 和 Cd 的掺杂浓度，可以显著改善材料的光催化性能，并在废水处理和氢气生产等应用领域展现出广阔前景。

全球范围内，可持续发展议题已经成为各国政府、科研机构以及企业关注的重点。其中，光催化技术因其在环保领域的潜力而受到高度重视。光催化过程能够将有害的有机废水转化为无害的物质，如二氧化碳（CO?）和水（H?O），从而推动生态友好的工业发展。在众多行业中，特别是纺织业、酿酒业和咖啡加工业，大量含持久性酚类化合物的废水被排放，这些物质对水体、环境和人体健康造成严重威胁。甲基蓝作为一种典型的有机污染物，被广泛用于研究光催化材料的性能。它不仅难以通过自然降解去除，还可能引发癌症和毒性反应，因此需要高效的降解手段。

光催化材料通常依赖于半导体（SCs）的特性，因为它们具有响应光能的表面结构。当光子能量等于或高于半导体的带隙（即价带与导带之间的能量差）时，电子会被激发进入导带，而价带则留下空穴。这些电子和空穴对在光催化过程中具有很强的还原和氧化能力，但它们的复合速率会影响催化效率。高复合速率意味着电子和空穴迅速结合，导致光催化反应的活性降低，而低复合速率则有助于提高反应效率。因此，如何有效抑制电子与空穴的复合，成为提升光催化性能的关键因素之一。

在现有研究中，人们普遍认为掺杂元素的浓度对光催化性能具有重要影响。适量的掺杂可以引入外来原子，作为电子与空穴的捕获剂，从而降低它们的复合速率，提高有机污染物的降解效率。然而，过量的掺杂则可能导致形成复合中心，降低催化活性。因此，存在一个最佳的掺杂比例，这取决于半导体的种类以及颗粒的尺寸。通常情况下，较低的掺杂比例意味着更好的光催化效果，因为每个颗粒中至少包含一个掺杂原子，从而减少了电子与空穴的复合机会。

半导体金属氧化物的纳米结构在清洁能源技术的发展中扮演着重要角色。例如，在光能存储和转换、太阳能燃料、发光纳米电子器件、激光技术和水分解等领域，纳米结构材料因其独特的物理和化学特性而备受关注。半导体纳米材料具有较大的比表面积，这不仅提高了它们的光吸收能力，还改善了表面反应性能。因此，研究人员长期以来对这类材料进行了广泛研究，并将其应用于多个领域。金属氧化物半导体如 Nb?O?、TiO?、CeO?、ZrO? 和 ZnO 由于其化学惰性、高催化活性、无毒性和成本效益，成为研究和应用的重点对象。

铌酸盐（Nb?O?）因其优异的光电性能而被广泛应用于光催化领域。作为一种 n 型半导体，Nb?O? 具有良好的热稳定性和化学稳定性，同时具有丰富的活性位点和较大的比表面积。然而，Nb?O? 的带隙范围较宽，通常在 2.9–4.0 eV 之间，这意味着它主要依赖于紫外（UV）光的照射才能发挥催化作用。在光催化应用中，由于电子与空穴的复合速率较高，Nb?O? 的降解效果往往不如其他类型的光催化材料。为了解决这一问题，研究人员尝试通过引入过渡金属阳离子或非金属元素，如镧、钼、钽、镉、碳、氮、氟、磷和硫，来拓宽 Nb?O? 的光响应范围，使其能够吸收可见光。

其中，钽和镉因其与铌相近的电负性和离子半径，被认为是理想的共掺杂元素。它们的引入可以有效调节 Nb?O? 的电子结构，从而降低其带隙，提高可见光吸收能力。此外，Ta 和 Cd 还能够作为电子和空穴的捕获剂，减少它们的复合速率，进一步提升光催化性能。通过实验与理论计算的结合，研究人员发现，优化后的 Ta 和 Cd 共掺杂 Nb?O? 材料不仅在光催化降解甲基蓝方面表现出色，还能实现高效的氢气生成，这为该材料在环境治理和能源开发领域的应用提供了有力支持。

在本研究中，研究人员通过共沉淀法成功制备了纯 Nb?O? 和一系列 Ta 和 Cd 共掺杂的 Nb?O? 纳米颗粒。这种方法具有操作简便、成本低廉等优势，适合大规模生产。实验结果表明，掺杂后的纳米颗粒在光催化降解甲基蓝方面表现出显著提升。其中，Ta?.04Cd?.03Nb?.93O? 样品在 56 分钟内对甲基蓝的降解率达到 98.5%，表现出最高的催化效率。此外，该样品在连续六次测试中仍保持 92% 的稳定性，说明其具有良好的重复使用性能。

从结构分析来看，X 射线衍射（XRD）结果显示，纯 Nb?O? 与 Ta?.04Cd?.03Nb?.93O? 在晶体结构上存在明显差异。这表明，Ta 和 Cd 的引入改变了 Nb?O? 的晶体排列，可能影响了其电子结构和光响应性能。同时，XRD 图谱还显示，经过 400°C 热处理后，材料的晶相仍然保持稳定，说明其具有良好的热稳定性。此外，通过比表面积（BET）分析，研究人员发现，掺杂后的纳米颗粒比表面积有所增加，这有助于提高其光催化活性。

光催化材料的性能不仅与结构有关，还受到光学特性的影响。通过紫外-可见漫反射光谱（UV-Vis DRS）分析，研究人员发现，Ta 和 Cd 的掺杂有效降低了 Nb?O? 的带隙，使其能够吸收可见光。这一变化使得材料在自然光照射下也能发挥作用，扩大了其应用范围。同时，带隙的降低意味着电子从价带跃迁到导带所需的能量减少，从而提高了光催化反应的效率。

在光催化反应中，电子与空穴的分离和传输效率是决定材料性能的关键因素之一。通过电子顺磁共振（EPR）和荧光光谱（PL）分析，研究人员发现，Ta 和 Cd 的掺杂显著降低了电子与空穴的复合速率，延长了它们的寿命。这有助于提高光催化反应的效率，使材料能够更有效地将有机污染物降解为无害产物。此外，掺杂后的材料在光催化反应中表现出更高的活性，这与其独特的结构和光学特性密切相关。

除了实验分析，研究人员还进行了计算模拟，以进一步验证 Ta 和 Cd 掺杂对 Nb?O? 性能的影响。计算结果表明，Ta 和 Cd 的引入降低了 Nb?O? 的带隙，从而降低了光催化反应所需的能量。这一发现为材料的优化提供了理论依据，说明通过调整掺杂比例，可以实现更高效的光催化性能。同时，计算模拟还揭示了材料在可见光范围内的光吸收能力，以及其电子结构的变化，为后续实验研究提供了指导。

综合来看，本研究通过实验与理论计算的结合，系统评估了 Ta 和 Cd 共掺杂对 Nb?O? 光催化性能的影响。实验结果表明，优化后的 Ta?.04Cd?.03Nb?.93O? 样品在光催化降解甲基蓝和氢气生成方面表现出色，具有较高的催化效率和稳定性。此外，该样品的结构和光学特性也得到了充分验证，说明其在环境治理和能源开发等领域的应用潜力。因此，Ta 和 Cd 共掺杂的 Nb?O? 纳米颗粒被认为是未来可持续发展的重要材料之一。

在实际应用中，这种材料不仅可以用于降解有机污染物，还可以用于氢气的生产。氢气作为一种清洁能源，其开发和利用对于减少碳排放、实现能源转型具有重要意义。通过光催化水分解，Ta?.04Cd?.03Nb?.93O? 样品能够高效产生氢气，这为清洁能源的开发提供了新的思路。此外，该材料的结构特点——如网状空心球形结构——使其具有较大的比表面积和良好的分散性，这有助于提高其催化效率。

从环境治理的角度来看，甲基蓝等有机污染物的降解对于改善水质和保护生态环境至关重要。Ta?.04Cd?.03Nb?.93O? 样品在短时间内实现了对甲基蓝的高效降解，说明其在实际应用中具有较高的可行性。此外，该样品在多次测试中仍保持较高的稳定性，表明其具有良好的重复使用性能，这对于大规模应用具有重要意义。因此，该材料不仅能够用于降解有机污染物，还能够在废水处理过程中发挥重要作用。

在光催化反应中，材料的稳定性是另一个关键因素。稳定的材料能够在长时间运行中保持良好的催化性能，避免因性能衰减而影响处理效果。Ta?.04Cd?.03Nb?.93O? 样品在连续六次测试中仍保持 92% 的稳定性，这表明其具有良好的结构和化学稳定性。这种稳定性可能与其独特的晶体结构和掺杂比例有关，同时也与材料表面的活性位点数量和分布有关。

此外，材料的表面特性对其光催化性能也有重要影响。通过扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）分析，研究人员发现，Ta 和 Cd 的掺杂改变了 Nb?O? 的表面结构，使其呈现出网状空心球形结构。这种结构不仅增加了材料的比表面积，还提高了其表面反应活性，有助于提高光催化效率。同时，这种结构也使得材料能够更有效地捕获光子，提高光吸收能力。

在实际应用中，这种材料可以用于多种类型的废水处理。例如，在纺织业、酿酒业和咖啡加工业中，大量含甲基蓝等有机污染物的废水被排放，这些废水对环境和人体健康造成严重威胁。通过使用 Ta?.04Cd?.03Nb?.93O? 样品，可以有效去除这些污染物，提高水质。此外，该材料还可以用于氢气的生产，这为清洁能源的开发提供了新的途径。

综上所述，本研究通过实验和理论计算的结合，系统评估了 Ta 和 Cd 共掺杂对 Nb?O? 光催化性能的影响。实验结果表明，优化后的 Ta?.04Cd?.03Nb?.93O? 样品在光催化降解甲基蓝和氢气生成方面表现出色，具有较高的催化效率和稳定性。此外，该样品的结构和光学特性也得到了充分验证，说明其在环境治理和能源开发等领域的应用潜力。因此，Ta 和 Cd 共掺杂的 Nb?O? 纳米颗粒被认为是未来可持续发展的重要材料之一。