伴随着纳米技术的高速发展，以TiO₂为代表的多相光催化技术在几十年中得到了广泛的关注和长足的发展^{[1, 2, 3]}. 尤其在光催化剂的构效关系研究和可见光响应拓展两个领域取得了令人瞩目的成果^{[4, 5]}. 光催化剂的构效关系研究是针对提高催化剂活性进行的，目前得到统一的认知就是粒径小于10 nm(量子尺寸范围)的TiO₂粒子具有极其优异的光催化活性，从而逐渐成为半导体光催化研究的重点之一^{[4, 5]}. 例如，当TiO₂的粒径从16 nm减小为8 nm时，其催化活性可提高6倍以上^[5]. 以此为基础，研究者提出了多种小粒径的TiO₂纳米粒子的制备方法. 吸附相反应技术(adsorption phase synthesis，APS)是一种新型的微尺度空间反应器技术，通过纳米级吸附层作为反应器，可以简便地获得10 nm以下的TiO₂纳米粒子，并能有效控制粒子粒径^[6]. 笔者所在的研究小组已经在纳米SiO₂的表面制备出粒径在2~7 nm的TiO₂粒子^[7]. 这些小粒径、 高分散的TiO₂粒子在甲基橙水溶液降解过程中，其光催化活性要远高于浸渍法得到的催化剂^[8]. 在甲苯的降解过程中，TiO₂光催化剂的活性也略高于商用P25光催化剂^[9].

催化剂的可见光响应是多相光催化的另一研究热点，也是拓展其实际应用领域的关键. 然而TiO₂具有较宽的能带(金红石型3.2 eV,锐钛矿型 3.0 eV)，仅能利用波长小于380 nm的紫外光激发其进行光降解，而实际太阳光体系中仅有5%属于紫外光体系，有75%以上的可见光得不到有效利用^{[10, 11, 12]}. 研究者为拓展TiO₂可见光响应提出了很多方法，尤其是窄带半导体耦合^{[13, 14]}和非金属离子掺杂^[15]两个方面具有显著的成效. 笔者在前期工作中，利用吸附相反应技术制备了Fe₂O₃(2.2 eV)耦合的TiO₂复合光催化剂^[16]，将该催化剂的激发光源波长拓展至可见区域(421 nm)，并在可见光源激发下有效降解甲基橙水溶液体系. 以N为代表的非金属掺杂由于既能满足可见光响应拓展的要求，又能基本维持催化剂的紫外活性而成为多相催化剂掺杂研究的热点^{[15, 17]}. 目前对光催化剂可见光响应的研究多集中在强光源体系(如数百瓦功率的高压汞灯，氘灯等)中的光催化过程，这种光源强度仅代表了少数光强为1 W ·cm^-2以上的强太阳光环境体系. 而实际可应用的环境体系都属于弱光体系(光强小于1 mW ·cm^-2)，如典型的室内光体系、 阴雨天等^{[18, 19]}. 在这种体系中光子数量较少，要得到高活性的催化剂，对催化剂的降解能力提出更为苛刻的要求. 有研究发现^[20]，微弱光激发下即使反应的量子产率高达28%左右，TiO₂薄膜光催化降解能力仍然较弱，仅能用作杀菌和降解低级醇类有机物. 而在大部分文献中无论是金属离子掺杂还是窄带半导体耦合，虽然拓展了催化剂的可见光响应，但都会降低复合光催化剂在紫外光下的整体降解能力. 因此，要得到弱光体系中(弱紫外和可见光)具有高效降解能力的催化剂，在拓展可见光响应的同时还必须保持或增强复合光催化剂的降解能力.

本研究在文献和前期工作的基础上，首先利用吸附相反应技术制备了N元素掺杂的复合光催化剂，设计了不同焙烧温度和不同掺杂量的TiO₂复合光催化剂制备和弱紫外光下降解甲基橙的实验. 以提高催化剂活性为目的，设计并制备了N和Fe₂O₃共掺杂的复合光催化剂，以期得到弱可见光下具有降解活性的催化剂. 1 材料与方法 1.1 多元催化剂的制备 1.1.1 N掺杂的TiO₂/SiO₂的制备

取0.5 g亲水性、 大比表面积的纳米级载体SiO₂，200 mL无水乙醇，1.5 mL去离子水置于三口烧瓶中，在30℃下搅拌吸附、 反应. 由于SiO₂的选择性吸附作用，其表面逐渐形成富集水的吸附层. 在吸附达到平衡后(12 h)，加入溶解了不同量尿素和2.15 g钛酸丁酯的乙醇溶液 (50 mL). 含有N元素的钛酸丁酯扩散到吸附水层中，反应5 h后，经过多次离心、 再分散、 洗涤并烘干，最后分别在700℃和900℃下焙烧5 h，得到N掺杂的TiO₂/SiO₂复合光催化剂. 制备后催化剂中N的掺杂量是原子百分数(相对TiO₂). 1.1.2 N掺杂的TiO₂/Fe₂O₃/SiO₂的制备

首先按照前期工作的步骤制备得到Fe(OH)₃/SiO₂^[16]. 而后将得到的Fe(OH)₃/SiO₂重新分散于200 mL乙醇中，在30℃下搅拌吸附、 反应. 在吸附达到平衡后(12 h)，加入溶解了尿素和2.15 g钛酸丁酯的乙醇溶液 (50 mL)，反应5 h后经过多次离心、 再分散、 洗涤并烘干，同样在700℃和900℃下焙烧5 h，得到N掺杂的TiO₂/Fe₂O₃/SiO₂复合光催化剂. 制备后催化剂中N和Fe₂O₃的掺杂量均是原子百分数(相对TiO₂).

在催化剂制备实验结束后，均利用原子吸收分光光度法和元素分析法检测离心分离后的乙醇溶液中铁离子和N元素残留量. 发现各个条件下，乙醇中没有检测出Fe离子和N元素残余. 这说明加入的Fe₂O₃和N元素均掺杂于多组分催化剂中，因此本实验中Fe₂O₃和N元素掺杂量由反应物加入量直接折算得到. 本实验中Fe₂O₃和N元素的掺杂量是相对TiO₂的原子百分数，其制备过程中对应尿素加入量(掺杂原子百分数)分别为：0(0%),2.14 mg (1.0 %),4.29 mg (2.0 %),6.44 mg (3.0 %) 以及10.72 mg (5.0 %)，对应硝酸铁加入量参见前期工作^[16]. 1.2 弱光体系降解甲基橙实验

称取0.28 g吸附相反应技术制备的TiO₂纳米复合光催化剂，均匀混合于800 mL甲基橙的水溶液(甲基橙浓度为4.0 mg ·L^-1左右，体系pH为3.6)，置于带磁力搅拌的反应器中，控制水浴温度为30℃，吸附0.5 h. 吸附平衡后，在两种弱光光源照射下(弱紫外光源为4 W功率的紫外黑光灯：主波长254 nm，弱可见光源为4 W功率的家用日光灯)，每隔半小时进行取样. 离心分离，取上层清液，利用722型可见光分光光度仪(上海第三分析仪器厂，测定波长490 nm)，测定甲基橙的吸光度并求出其浓度变化(反应5 h). 其中4 W紫外黑光灯光源的光照功率密度为12 μW ·cm^-2，4 W日光灯光源的光照功率密度为40 μW ·cm^-2. 1.3 实验试剂与表征

实验试剂：二氧化硅(平均粒径12 nm，比表面积200 m² ·g^-1，Degussa公司 AEROSIL200)，钛酸丁酯(分析纯，常州蓝天化工厂)，无水乙醇(分析纯，上海试剂一厂)，甲基橙(分析纯，杭州化学试剂有限公司). 尿素和硝酸铁均是分析纯，购自国药集团化学试剂有限公司.

复合光催化剂的XRD 分析在日本Rigaku公司的D/max-rA 转靶X 射线多晶衍射仪上进行. 采用Cu Kα(λ=0.15406 nm)，功率为1600 W(40 kV×40 mA)，采用固体探测器(Sol-X)测量X 射线强度，并通过高斯方程拟合XRD曲线中2θ 为45°~52°的衍射峰，利用Scherrer公式来计算得到TiO₂的晶粒粒径. 复合光催化剂的紫外可见吸收光谱测量是将粉末压制成片，在装有积分球的紫外可见光-近红外分光光度计(TU-1901，北京普析通用仪器有限责任公司)上进行，BaSO₄作参比，测量范围230~800 nm. X射线激发源：单色Al Kα (hv=1486.6 eV)，功率150 W，X射线束斑500 μm能量分析器固定透过能为: 30 eV. 复合光催化剂的光致发光(PL)光谱在室温下采用荧光分光光度计(RAMANLOG6，美国)测定. 2 结果与分析 2.1 N掺杂TiO₂/SiO₂催化剂 2.1.1 N掺杂对复合光催化剂光吸收性能和可见光响应拓展的影响

各个催化剂的漫反射光谱表明(图 1)，两种温度热处理后N掺杂可以提升催化剂的光吸收性能，尤其掺杂量在5%时，这种提升作用非常明显. 对比两种焙烧温度下各个催化剂的光谱图还发现，900℃热处理后N掺杂复合催化剂本征吸收带出现了少量红移，随着掺杂量增加红移有一定程度增加，这说明复合光催化剂的可见光响应得到了一定拓展. 结合文献^[15]，该红移现象是由于N掺杂后进入TiO₂结晶结构中导致TiO₂能带的变化，拓展了复合光催化剂的可见光响应. 而700℃热处理后N掺杂催化剂的本征吸收带却基本没有出现红移现象. 两种焙烧温度下催化剂光谱曲线的差异，是因为复合粒子中载体SiO₂的抑制作用导致的. 前期工作已经发现吸附相反应技术中使用SiO₂为载体，复合粒子中形成的—Ti—O—Si—键可以抑制TiO₂从锐钛矿向金红石转变^{[8, 9]}. 同样—Ti—O—Si—键也会抑制N元素进入TiO₂晶格结构中. 只有在极其高温(900℃)热处理后，才有部分N元素进入TiO₂晶格结构中，从而引起TiO₂能带变化. 为了进一步验证该结论，笔者利用XPS表征了催化剂中N1s区域.

图 1

Fig. 1

图(b)、 (d)分别为图(a)、 (c)的局部放大； N掺杂量(%)：a. 0; b. 1.0; c. 2.0; d. 3.0; e. 5.0 图 1 N掺杂后各个催化剂紫外可见漫反射光谱 Fig. 1 UV-Vis spectra of different photocatalysts

图 2是两个焙烧温度下5% N掺杂催化剂中N1s区域的XPS图谱，从谱图可以看出，当焙烧温度从700℃升至900℃时，N1s的峰有单峰演变成明显的双峰. 经过拟合两个N1s图谱可以得到两个结合能分别在399.2 eV和401.2 eV的两个峰. 根据文献^[21]，结合能在399.2 eV的峰应该代表O—Ti—N键中N阴离子，而401.2 eV的峰则是表明Ti—O—N. 前者是由于N元素进入TiO₂的晶格中取代了O元素而形成的，而Ti—O—N则应是分布于TiO₂表面未能取代晶格中的O而形成的. 两个图谱中的拟合峰清晰地表明，由于—Ti—O—Si—的抑制作用，700℃热处理后催化剂中大部分N元素很难进入TiO₂的晶格结构，而多数分布于TiO₂的表面. 而900℃热处理后大量N元素进入TiO₂晶格结构中取代O元素，形成较多O—Ti—N键. 这进一步验证了紫外可见漫反射光谱中得到的结论.

图 2

Fig. 2

图 2 不同焙烧温度下5%N掺杂后催化剂中N元素的XPS图谱 Fig. 2 XPS spectra for the N1s region of N-doped (5%) TiO2 sintered at different temperatures

图 3是各个复合光催化剂的XRD图谱，均表明除了无定形SiO₂和锐钛矿TiO₂的衍射峰之外没有出现其他结晶峰，这说明掺杂的N元素高度分散于TiO₂表面或者晶型结构中，与文献^[21]结果一致. 对比两种温度热处理后的催化剂，700℃热处理后各个催化剂中TiO₂衍射峰没有明显变化. 而900℃热处理后N掺杂使得锐钛矿TiO₂的结晶衍射峰变得更加尖锐，其半峰宽变小. 将XRD谱图中45°～55°区域结晶峰进行拟合，并利用Scherrar公式计算后，得到各个TiO₂的晶粒粒径(图 4).

图 3

Fig. 3

图 3 不同焙烧温度下N掺杂对TiO2结晶过程的影响 Fig. 3 Effects of N doping on the crystallization of TiO2 sintered at 700℃ and 900℃

图 4

Fig. 4

图 4 不同焙烧温度下N掺杂的催化剂中TiO2的晶粒粒径 Fig. 4 Grain size of N-doped TiO2 sintered at different temperatures

图 4中粒径变化曲线显示，700℃热处理后各个催化剂中TiO₂晶粒粒径基本维持不变. 而随着N掺杂量变化，900℃热处理后TiO₂晶粒粒径出现了先增加后少许降低的规律，但其晶粒粒径都大于未掺杂的催化剂，这同样是由于N元素是否进入TiO₂的晶格结构而引起的. 由于—Ti—O—Si—键的抑制作用，700℃热处理后大多N元素无法进入TiO₂晶格结构中而对其晶粒粒径基本没有影响. 900℃热处理后N元素进入了TiO₂晶格结构，一定程度上促进TiO₂晶粒长大，导致锐钛矿衍射峰的半峰宽略微变小，且晶粒粒径也有少量增大. 而且随着N掺杂量增加，这种促进作用也有所增强，使得同样900℃热处理后掺杂N催化剂中TiO₂晶粒粒径都要略大于未掺杂催化剂. 但当N掺杂量增至5%时，TiO₂晶粒粒径却有所减少，这可能是由于过多N进入晶格结构后对晶格连续结构有一定程度的破坏. 2.1.4 N掺杂对弱光下催化剂活性的影响

如图 5所示,在本研究采用的浓度范围内，弱紫外光下各个催化剂光催化降解反应均可以用一级反应动力学方程来描述,这与多数文献报道一致^{[22, 23, 24]}. 两种温度热处理后N掺杂催化剂的降解活性均要高于未掺杂催化剂. 为了能更清楚地对比出各个催化剂的活性,这里利用一级反应的数据处理方法得到各个降解曲线的表观反应速率常数(kd)，笔者在同样条件下研究了商用TiO₂光催化剂P25光降解甲基橙的过程，得到了其表观反应速率常数作为对比列于图 6中.

图 5

Fig. 5

N掺杂量(%): a. 0; b. 1.0; c. 2.0; d. 3.0; e. 5.0 图 5 弱紫外光下复合光催化剂的光降解曲线 Fig. 5 Degradation curves of methyl-orange by different photocatalysts illuminated under weak UV light

图 6

Fig. 6

图 6 紫外光下N掺杂量与复合光催化剂的光降解速率常数之间的关系 Fig. 6 Dependence of doping content of N on the rate constants of photodegradation illuminated under weak UV light

图 6清楚地显示，两种温度热处理后未掺杂催化剂的活性要弱于商用P25催化剂，而掺杂了不同浓度N后的催化剂活性均有所提升且高于商用P25催化剂. 尤其900℃热处理后，N掺杂对催化活性提升作用更加显著. 根据文献^{[15, 17, 25]}，N掺杂后在TiO₂中引入了新的浅受主杂质能级成为光生空穴的捕获中心而降低了其复合概率. 另外，催化剂的紫外漫反射表明N掺杂可以显著提升催化剂的光吸收性能. 这两方面都增强了弱紫外光下催化剂的活性. 700℃热处理后，N掺杂对催化剂光吸收性能的促进作用提升了复合光催化剂的活性. 当900℃热处理后，掺杂不仅明显促进催化剂的光吸收性能，而且大量N元素进入了TiO₂晶格结构还引入了较多杂质能级，因而该条件下N掺杂对弱紫外光下催化活性有着更为显著的提升. 从图 6中还发现，随着掺杂量增加催化剂的活性先增加随后有所降低，这与文献的结果一致^{[17, 25]}，过高的掺杂浓度会使催化剂中产生过多杂质能级，而使其成为光生载流子的复合中心，降低了催化活性.

由文献^{[26, 27]}研究可知，TiO₂多相光催化剂能够被激发的首要条件是其本征吸收带出现红移，也就是其可见光响应得到拓展. 结合紫外漫反射和XPS的表征结果，笔者考评了弱可见光下900℃热处理后复合光催化剂降解甲基橙过程，如图 7所示. 可以看出，在弱可见光下仅有5%N掺杂后催化剂有比较微弱的活性. 结合图 1可知，N掺杂对催化剂可见光响应的拓展作用不明显，因此其弱可见光下活性不高. 因此要提高弱可见光下催化剂活性，除了增强光吸收性能之外，首先更需要极大拓展催化剂的可见光响应.

图 7

Fig. 7

N掺杂量(%): a. 1.0; b. 2.0; c. 3.0; d. 5.0 图 7 弱可见光下900℃热处理后复合光催化剂的光降解曲线 Fig. 7 Degradation curves of methyl-orange by different photocatalysts illuminated under weak visible light

在前期工作中^[16]发现，虽然在强紫外光下单一Fe₂O₃耦合后的催化剂的活性要弱于未耦合的TiO₂/SiO₂催化剂. 但在30 W日光灯照射下，3%Fe₂O₃耦合后催化剂具有未掺杂催化剂没有的可见光降解活性. 由于Fe₂O₃耦合降低了催化剂的光吸收等特性，而使得该复合催化剂的可见光活性较弱. 在前期N掺杂工作的基础上，笔者将N掺杂和Fe₂O₃耦合两种方式结合起来，以期能显著增强催化剂的光吸收性能的同时，拓展催化剂的可见光响应. 2.2 N掺杂TiO₂/Fe₂O₃/SiO₂催化剂 2.2.1 共掺杂催化剂的紫外可见光漫反射光谱

从图 8可以看出，两种焙烧温度下N和Fe₂O₃共掺杂之后都能明显提升催化剂的光吸收性能，而且催化剂的本征吸收带显著红移，也说明共掺杂也极大拓展了催化剂的可见光响应. 尤其900℃热处理后共掺杂对催化剂光吸收性能的提升和可见光响应拓展作用影响最显著.

图 8

Fig. 8

a. 未掺杂催化剂; b. 5.0%N掺杂催化剂; c. 3.0 % Fe2O3耦合催化剂; d. N (5.0%)和Fe2O3 (3.0%)共掺杂催化剂 图 8 不同光催化剂的紫外可见漫反射光谱图 Fig. 8 UV-Vis spectra of different photocatalysts

对比各条漫反射曲线还可以看出，700℃热处理后，共掺杂催化剂本征吸收带的红移程度明显超过单一Fe₂O₃耦合后的催化剂，与900℃热处理后催化剂类似，但其光吸收性能没有得到明显提升. 900℃热处理后共掺杂催化剂与单一Fe₂O₃耦合催化剂本征吸收带的红移位置一致，但N加入显著增强了催化剂光吸收性能. 笔者认为这是N和Fe₂O₃之间的协同效应对催化剂的影响所决定的. 900℃高温热处理后，单一Fe₂O₃与TiO₂之间产生强烈作用而极大拓展了催化剂的可见光响应. N加入后对催化剂的可见光响应拓展的影响较小，仅仅促进了共掺杂催化剂的光吸收性能. 而700℃热处理后，单一Fe₂O₃耦合后其与TiO₂之间的作用还不强，对催化剂可见光响应拓展的程度还不显著. N和Fe₂O₃共掺杂后，两者之间会产生协同效应从而显著拓展了共掺杂催化剂的可见光响应.

为了进一步验证这个结论，笔者利用XPS分析得到了700℃热处理后N和Fe₂O₃共掺杂催化剂中N1s的XPS图谱(图 9). 对比图 9和图 2，发现共掺杂后N1s峰变成明显的双峰，拟合后数据表明结合能在399.2 eV的峰显著增强. 这表明进入TiO₂的晶格中取代了O元素而形成的O—Ti—N键显著增加，说明Fe₂O₃的加入可以增强N进入TiO₂晶格夺取O的能力，这就是N和Fe₂O₃之间的协同效应的体现. 同样这个协同作用还体现在催化剂的PL光致发光光谱中，如图 10. 在很多多相光催化研究中用PL光致发光光谱曲线来直观反映催化剂光生载流子的复合率^{[26, 27]}，催化剂PL曲线强度越大其光生载流子复合率越大，对应其活性也就越小. 从图 10可以看出，两种温度热处理后共掺杂催化剂的PL曲线强度都弱于其他催化剂，900℃热处理后N和Fe₂O₃共掺杂后复合催化剂的光生载流子复合率最低. 这从另一方面也验证了N和Fe₂O₃共掺杂后，在提升催化剂活性方面产生了协同效应.

图 9

Fig. 9

图 9 700℃热处理后N(5%)和Fe2O3(3%)共掺杂后催化剂中N元素的XPS图谱 Fig. 9 XPS spectra for the N1s region of co-doped (5% of N and 3% of Fe2O3) TiO2 sintered at 700℃

图 10

Fig. 10

a. 900℃热处理未掺杂催化剂; b. 900℃热处理N掺杂(5.0%); c. 900℃热处理Fe2O3 耦合(3.0%); d. 700℃热处理N (5.0%) 和Fe2O3 (3.0%) 共掺杂; e. 900℃热处理N (5.0%)和Fe2O3 (3.0%) 共掺杂 图 10 各个复合光催化剂的PL光谱 Fig. 10 PL spectrum of different composite photocatalysts

图 11表明，除了无定形SiO₂和锐钛矿TiO₂的衍射峰之外均没有出现其他结晶峰，这同样说明掺杂的N和Fe₂O₃是高度分散于TiO₂表面或者晶型结构. 前期工作结果指出^[16]，700℃热处理后3%Fe₂O₃耦合对TiO₂的结晶过程有明显抑制作用. 图 11显示当焙烧温度升至900℃时，3%Fe₂O₃加入后对TiO₂的结晶过程的抑制作用更加明显. 但另一方面，900℃焙烧下共掺杂后N元素进入TiO₂的晶体结构中促进了结晶过程，抵消了Fe₂O₃加入对结晶过程的抑制作用.因此，900℃热处理后共掺杂催化剂中锐钛矿TiO₂的结晶峰明显强于单一Fe₂O₃耦合的催化剂，但弱于未掺杂和单一N掺杂的催化剂. 700℃热处理后，由于N元素未能进入TiO₂晶格，因而共掺杂催化剂中锐钛矿TiO₂的结晶峰与单一Fe₂O₃耦合的催化剂类似，明显弱于未掺杂和单一N掺杂的催化剂.

图 11

Fig. 11

a. 未掺杂催化剂; b. 5.0%N掺杂复合催化剂; c. N (5.0%)和Fe2O3 (3.0%)共掺杂催化剂; d. 3.0 % Fe2O3耦合催化剂 图 11 不同焙烧温度下共掺杂对TiO2结晶过程的影响 Fig. 11 Effects of co-doping on the crystallization of TiO2 sintered at different temperatures

同样对XRD谱图中45°～55°区域的峰进行拟合，并利用Scherrar公式计算后，得到各个复合光催化剂中TiO₂晶粒粒径(图 12). 可以看出，700℃热处理后共掺杂催化剂和单一Fe₂O₃耦合催化剂的TiO₂晶粒粒径由于抑制作用而小于其他两种催化剂. 900℃热处理后由于N掺杂对结晶过程的促进作用，共掺杂催化剂中TiO₂的晶粒粒径要明显大于Fe₂O₃耦合催化剂.

图 12

Fig. 12

a. 未掺杂催化剂; b. 5.0%N掺杂复合催化剂; c. N (5.0%)和Fe2O3 (3.0%)共掺杂催化剂; d. 3.0 % Fe2O3耦合催化剂 图 12 不同焙烧温度下不同催化剂中TiO2的晶粒粒径 Fig. 12 Grain size of TiO2 in different photocatalysts sintered at 700℃ and 900℃

结合图 8 和图 10的结果，这里对比了不同掺杂方式和不同焙烧条件得到的5种光催化剂，考评其弱可见光下的降解甲基橙的过程，如图 13. 可以看出，由于900℃热处理后共掺杂对催化剂的光吸收性能和可见光响应拓展的影响最显著，其光生载流子复合率也最低. 因此，该催化剂在弱可见光下的催化活性也就最强. 700℃热处理后共掺杂催化剂由于光吸收性能不高，且催化剂中TiO₂结晶过程受到了Fe₂O₃加入后的较多抑制，其PL曲线也表明其光生载流子的复合率高于900℃热处理后的催化剂，所以其在弱可见光激发下的降解活性也较低.

图 13

Fig. 13

a. 700℃ 热处理5.0%N 掺杂催化剂; b. 900℃热处理5.0%N 掺杂催化剂; c. 900℃热处理3.0%Fe2O3 耦合催化剂; d. 700℃热处理N (5.0%) 和Fe2O3 (3.0%)共掺杂催化剂; e. 900℃热处理N (5.0%) 和Fe2O3 (3.0%)共掺杂催化剂 图 13 弱可见光下复合光催化剂的光降解曲线 Fig. 13 Degradation curves of different photocatalysts illuminated by weak visible light

(1) 单一N掺杂可以显著增强复合光催化剂的光吸收性能，提升复合催化剂在弱紫外下光降解甲基橙活性，其催化活性优于未掺杂催化剂和商用P25光催化剂.

(2) 吸附相反应技术得到的复合光催化剂中—Ti—O—Si—对N元素进入TiO₂晶格结构的抑制作用，导致700℃热处理后N加入几乎不影响催化剂中TiO₂的结晶过程和催化剂的可见光响应. 而900℃热处理后，较多N元素进入了TiO₂的晶格结构，不仅提升了增强了催化剂的光吸收性能，还拓展了催化剂的可见光响应.

(4) 由于对催化剂可见光响应拓展作用不显著，在弱可见光激发下单一N元素掺杂的复合催化剂的光降解活性较弱.

(3) N掺杂和Fe₂O₃耦合形成的共掺杂复合光催化剂中，N和Fe₂O₃之间的协同作用不仅极大增强了复合光催化剂的光吸收性能，而且显著拓展了催化剂的可见光响应，从而得到了弱可见光下具有较高活性的复合光催化剂.