二氧化钛（TiO?）因其化学稳定性、高的氧化能力、无毒性以及低成本而成为研究最广泛的光催化材料之一[[1], [2], [3], [4], [5]]。自从早期关于TiO?在染料漂白过程中的光催化活性及其在紫外光（UV）下分解水的作用的研究以来[[6,7]]，锐钛矿相的TiO?已成为环境修复和自清洁表面的标准材料[[3], [4], [5], [8]]。作为薄膜形式的TiO?具有额外的实际优势，如机械耐久性、与多种基底的兼容性以及易于回收和重复使用，尽管其表面积比粉末形式小[[9,10]]。然而，纯TiO?受到两大内在限制：光生电子-空穴对的快速复合以及较宽的能带隙（Eg ≈ 3.2 eV），这导致其光学吸收主要局限于紫外光区域，而紫外光仅占太阳光谱的一小部分[[4,5]]。
引入带内电子态可以增强电荷捕获并降低电子-空穴复合率[[11], [12], [13]]。大量研究致力于通过掺杂方法修改TiO?，以扩展其光吸收范围至可见光区域并提高载流子分离效率[[14]]。用各种金属（如贵金属（Ag、Pt、Au）[[15,16]、普通金属（如Fe、Cu、Al、Zn）[[17], [18], [19]]、碱土金属和碱金属（如Mg、Ca、Na）[[20,21]]以及过渡金属和后过渡金属（如Al、Pb、Cu、Fe、Mn、Cr）[[22,23]]掺杂TiO?薄膜，可以增强其光催化活性。然而，掺杂的效果受掺杂类型、浓度、在晶格中的分布及其与TiO?晶格的结构和电子相互作用的影响很大。在各种掺杂物中，铁（Fe）因其离子半径（Fe3?：0.645 ?）与Ti??（0.605 ?）相近而受到特别关注，这使得Fe能够在TiO?晶格中替代Ti原子位点而几乎不会引起结构畸变[[24]]。低浓度（< 2 wt%）的Fe掺杂会导致晶格参数略微膨胀，而高浓度则可能导致形成富Fe相，如赤铁矿[[24]]。
从机理上讲，通过Fe掺杂修改TiO?的电子结构是提高光催化性能的基本途径。Fe掺杂的TiO?体系能够显著缩小能带隙，从约3.2 eV降至低至1.4 eV，具体取决于掺杂浓度[[13,26]]。这一能带隙变化的过程涉及将Fe3d电子态整合到TiO?的禁带区域，促进Fe3d、Ti3d和O2p态之间的轨道重叠，从而改变其电子能带结构[[27]]。Fe3?和Ti??之间的电荷补偿导致氧空位和Ti3?中心的形成[[28,29]]，使Fe3?离子能够同时捕获电子和空穴。Fe2?/Fe3?能级略低于TiO?的导带边（约0.77 eV），而Fe3?/Fe??能级则高于价带边（2.20 eV）[[30,31]]，从而实现光生电子和空穴的双重捕获（Fe3? + e? → Fe2?；Fe3? + h? → Fe??）。超快光谱（UFI）研究表明，电子捕获发生在飞秒时间尺度上，而空穴捕获则在皮秒范围内完成[[32,33]]，从而减少了复合概率并增强了界面氧化还原反应[[34,35]]。然而，Fe掺杂的有益效果高度依赖于掺杂浓度、缺陷分布以及薄膜与基底之间的相互作用。
我们之前的研究[[17]]探讨了使用溶胶-凝胶浸涂技术将Fe掺杂的TiO?薄膜沉积在钠钙玻璃（SLG）基底上的情况，发现从玻璃基底扩散出的Na?离子会对光催化性能产生负面影响，改变薄膜的光学特性并掩盖Fe掺杂的固有优势。这一发现凸显了掺杂TiO?薄膜中的一个关键挑战和常被低估的问题，即掺杂剂引入与由基底扩散引起的缺陷形成之间的复杂相互作用。受这些结果的启发，本研究在SLG基底和Fe掺杂的TiO?薄膜之间引入了一层未掺杂的TiO?中间层作为扩散屏障，以隔离Fe掺杂的固有效应。系统地研究了Fe浓度对晶体结构、表面形态、光学性质和光催化性能的影响。通过缓解[[17]]中发现的基底-薄膜相互作用，本研究旨在明确Fe掺杂在提高TiO?光催化效率中的确切作用。
