Zn掺杂锐钛矿TiO2的电子结构及光学性质的研究

采用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理对Zn掺杂锐钛矿TiO_2进行了结构优化,并对掺杂前后的能带结构、电子态密度和吸收光谱进行了计算。研究表明:Zn掺杂锐钛矿TiO_2体系为间接带隙半导体,在价带顶部引入了杂质能级,杂质能级主要由O-2p轨道和Zn-3d轨道贡献,杂质能级的引入增强了TiO_2对可见光区的响应,增大TiO_2的光吸收范围。实验结果表明:Zn掺杂使锐钛矿TiO_2吸收边红移,并能增强TiO_2的光电效应,可用于材料的光阴极保护。     

TiO_2基可见光响应型光催化材料的研究进展

开发合成可见光响应型光催化材料,是实现太阳能的高效利用的关键,对解决能源短缺和环境污染问题具有重要意义。TiO_2是一种最具代表性的光催化材料。而TiO_2禁带宽度较高导致其光吸收主要发生在紫外区,太阳能利用率低。为改善其光吸收特性,常采用非金属掺杂、金属掺杂及半导体复合对TiO_2进行改性。研究表明,对TiO_2进行杂原子掺杂及半导体复合,能够有效窄化带隙能,拓展吸收边界,促进可见光响应性,提高光催化性能。并展望了TiO_2基可见光响应型光催化材料的未来发展方向。     

同主族Si/C共掺杂TiO_2可见光区光催化性能的第一性原理计算

本文利用密度泛函理论(DFT)第一性原理平面波超软赝方法对Si/C共掺杂锐钛矿TiO_2电子结构、差分电荷密度和光学特性进行了研究.计算结果表明,共掺杂能明显降低体系的带隙(约为1.7eV),能有效增加其光催化活性.从总态密度图可以得到,费米能级附近的杂质态降低了跃迁能.Si/C共掺杂锐钛矿TiO_2能有效提高其在可见光区域的吸收系数,特别是在三种不同的构型中,第三种构型在可见光区域具有最大吸收系数.     

不同掺杂二氧化钛的电子和晶体结构与光催化性能的关系

对未掺杂、氮掺杂、碘掺杂和铂掺杂的锐钛矿TiO_2进行了第一性原理计算。结果表明,三种掺杂TiO_2带隙中都产生新的能带。这些新出现的能带是掺杂TiO_2响应可见光的原因。而且铂掺杂TiO_2的带隙缩小,响应波长更宽。铂掺杂和碘TiO_2的能带位置明显下移,表明其具有更强的氧化性。偏态密度分析表明掺杂元素提供的轨道参与了价带和导带的构成。通过对晶体结构的分析和TiO_6八面体偶极矩的计算,发现I掺杂后晶体结构明显畸变,其次是铂掺杂,氮掺杂几乎无畸变。而这种畸变产生的偶极矩能促进载流子的迁移,提高光催化活性。计算结果很好地解释了未掺杂和掺杂TiO_2在可见光照射下的光催化活性差异。     

Ce掺杂锐钛矿型TiO_2密度的泛函理论应用

采用基于密度泛函理论(DFT)框架下的第一性原理平面波赝势(PWPP)方法,模拟计算了纯的TiO2和Ce掺杂锐钛矿TiO2的能带结构、态密度及光学性质,分析了Ce掺杂对锐钛矿TiO2的晶体结构、能隙、态密度和光吸收系数的影响.结果表明:Ce掺杂锐钛矿TiO2晶体后,Ce的4 f轨道进入导带使导带底向低能端移动,禁带宽度变小,吸收带红移,可见光区具有较大的光吸收系数,从而有助于提高TiO2的光催化活性,理论与实验基本吻合.     

轻稀土掺杂TiO_2(101)面的电子结构和光学性质的理论研究

利用基于密度泛函理论的第一性原理方法研究了轻稀土掺杂TiO_2(101)面的电子结构和光学性质,并讨论了其内部的微观机制.研究结果表明:稀土掺杂TiO_2(101)面时,掺杂原子诱导掺杂体系的价带顶和导带底出现了显著的不对称,掺杂体系形成了兼并型的P型或N型半导体.掺杂体系的价带和导带出现了明显的移动,平均带隙相比未掺杂体系均出现了不同程度的增加,但是在带隙中出现了浅杂质能级.稀土原子替代O原子或以插入原子形成掺杂体系的光吸收强度明显高于稀土原子替代Ti原子形成的掺杂体系.La@O13体系和Ce@O13体系的光吸收能力最强,其可以归因于净磁矩的产生和浅杂质能级的形成,从而致使电子空穴对的产生和分离,进一步提高了掺杂体系在可见光区域的光催化吸收强度.研究结果可为二氧化钛在光电子器件领域的应用开发提供有益的理论依据.     

B和氧空位V_O掺杂锐钛矿相TiO_2的结构特征

探讨非金属离子B和氧空位单掺杂和共掺杂TiO_2晶体对体系结构特征的影响。采用密度泛函理论框架下的第一性原理方法,研究了氧空位V_O和B离子掺杂锐钛矿相TiO_2体系的几何结构、形成能等问题。结果表明,无论是单掺杂还是共掺杂的形成都会使晶胞体积增加和晶体稳定性下降,而V_O/B共掺杂体系的晶胞畸变小于相应的B离子单掺杂情况,说明共掺杂体系的稳定性高于单掺杂体系。几何结构和形成能计算都表明,B原子更倾向于进入晶胞的晶格间隙之中,形成的晶隙掺杂Bin具有最高的热力学稳定性,并且,在含有V_O缺陷的TiO_2晶体基础上进行B原子掺杂比在完美TiO_2晶体基础上进行B掺杂的形成能更低、也就是这时的掺杂更容易。     

Pt掺杂锐钛矿型TiO2电子结构和光学性质第一性原理研究

为了研究Pt掺杂对锐钛矿型TiO2电子结构和光学性质的影响,本文采用基于密度泛函理论的平面波超软赝势方法,对未掺杂和Pt掺杂锐钛矿型TiO2的电子结构和光学性质做第一性原理计算。得到了掺杂前后的品格结构常数、结合能电子态密度分布、能带结构、介电函数虚部、光吸收系数等性质,定性地分析了掺杂前后能带结构和光学性质的变化。研究结果表明,Pt掺杂锐钛矿型TiO2带隙中能产生新的能带,而且能带位置明显下移,掺杂后不但能使TiO2的吸收带产生红移,而且在可见光区具有较大的吸收系数,表现出较高的光催化活性,理论与实验基本吻合。     

Fe(III)掺杂对TiO2光催化活性的影响机理

采用平面波赝势(PWPP)方法进行密度泛函(DFT)总能量计算,优化了TiO2超晶胞构型参数,模拟计算了Fe(III)掺杂锐钛矿TiO2对能隙、Fermi能级、态密度的影响.Fe(III)掺杂锐钛矿TiO2晶体后禁带(Eg)变小,TiO2的Fermi能级降低,使TiO2 的吸收带红移,同时电子-空穴在表面的复合几率降低,从而增强了光催化的活性.     

(S,Co)双掺杂TiO2改性第一性原理

为提高TiO2晶体的光催化性能,采用基于密度泛函理论的平面波超软赝势方法,研究了S和Co分别单掺杂和双掺杂锐钛矿TiO2的晶体结构、电子结构和光学性质.研究结果表明:原子替位掺杂后体系晶格畸变较小;禁带中杂质能级的出现使TiO2光吸收带边发生了明显红移,且在可见光区的吸收效率显著增加,大大提高了光催化效率.与单掺杂比较发现,(S,Co)双掺杂红移现象更加明显且在可见光区均有吸收,为较好的掺杂改性方式.该成果对实验合成性能较佳的TiO2具有较好的指导意义.     

Zr 掺杂对锐钛矿型TiO2 电子结构和光学性质的影响

本文采用密度泛函理论的平面波超软赝势方法研究了Zr 掺杂对锐钛矿型TiO₂ 电子结构和光学性质的影响, 计算了Zr 掺杂前后锐钛矿型TiO₂ 的电子态密度分布、能带结构、光吸收系数等性质, 定性地分析了掺杂前后电子结构和光学性质的变化. 研究结果表明: Zr 掺杂锐钛矿型TiO₂, 导致带隙减小, 掺杂后在360~400nm 附近的光吸收系数增大, TiO₂ 的吸收带产生红移, 增强了TiO₂ 的光催化活性, 理论与实验结果 一致.     

S掺杂锐钛矿TiO_2电子结构的第一性原理研究

对完整锐钛矿TiO2晶体及S掺杂锐钛矿TiO2晶体电子结构进行了基于密度泛函理论的第一性原理研究.通过对能带、态密度的分析,发现在S掺杂后,O原子,S原子与Ti原子在导带区发生了强烈的相互关联作用,致使Ti原子3d轨道上的电子向S原子的3p轨道,O原子的2p轨道移动,使得导带向低能区移动,从而使TiO2的禁带宽度变小,吸收边红移.从而揭示了S掺杂导致锐钛矿TiO2晶体禁带宽度变小的机理.理论计算与实验结果基本相符.     

Ag掺杂对TiO_2性质影响的第一性原理研究

采用Ag原子对锐钛矿型TiO2半导体进行掺杂,利用基于密度泛函理论的第一性原理研究了Ag掺杂TiO2的晶体结构和能带结构.计算表明,Ag掺杂导致TiO2电子局域能级的出现及禁带变窄,从而导致吸收光谱红移.同时对Ag、Cu这两种同族原子进行掺杂比较,结果证明,用Ag原子对锐钛矿型TiO2进行掺杂在提高光催化性能方面效果更好.     

N/Zr共掺杂锐钛矿型TiO_2光催化协同作用机制的第一性原理研究

采用平面波超软赝势法计算了N,Zr单掺杂和共掺杂锐钛矿型TiO2的电子结构和光学性质.根据能量最低原理比较了不同替位掺杂构型的最稳定结构,而后分析单、共掺杂构型中各自的能带结构,通过计算态密度及分波态密度分析了其光学性质改善机制.此外通过分析体系的电荷密度图得出N与Zr有团簇成键的趋势.对不同掺杂体系的光学性质进行了对比分析,发现共掺杂方法可以有效增强TiO2材料对可见光的吸收以促进其更好的利用太阳能.本文的理论计算和分析将有助于理解共掺杂方法提高TiO2光催化效应的协同作用机制.     

反应时间和温度氟掺杂TiO2结构及光催化性能的影响

以TiCl_4为钛源,以NaF为氟源,采用水热法在不同条件制备了F掺杂TiO_2粉体.结果表明,F元素的掺杂使锐钛矿型含量增多.随着反应温度升高、反应时间的延长,产物中锐钛矿型含量增多.F掺杂促进产物晶粒的生长,并且F进入TiO_2晶格中改变了晶胞结构.F掺杂减小了TiO_2带隙宽度,提高了光利用率.延长反应时间制备的F掺杂TiO_2比纯TiO_2具有更好的光催化性能.     

Cu/N共掺杂ZnS电子结构和光学性质的第一性原理计算

采用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理平面波超软赝势方法,计算了本征ZnS、N单掺杂、Cu-N共掺杂与Cu-2N共掺杂ZnS晶体的能带结构、电子态密度与光学性质.结果表明,Cu/N共掺杂体系降低了体系的带隙,增加了其光催化活性.对于Cu-2N掺杂,分析其态密度,发现共掺杂体系的总态密度在费米能级附近更加弥散,更多的态密度穿越费米能级,使共掺杂更容易获得p-型ZnS,同时费米能级附近的杂质态降低了跃迁能,使得共掺杂体系能有效提高其在可见光区的吸收系数.     

Eu掺杂MgO电子结构和光学性质的第一性原理研究

为探究稀土元素掺杂对金属氧化物MgO晶体材料电子结构和光学性质的影响,采用基于密度泛函理论的第一性原理赝势平面波方法计算Eu原子掺杂MgO晶体的几何结构、能带结构、态密度和光学性质.计算结果表明:掺杂后体系的带隙宽度减小,费米面向导带偏移,属于直接禁带半导体.掺杂稀土元素对体系的静态介电常数、晶体反射率、光吸收系数、折射率和能量损失函数具有重要的调制作用.掺杂前后晶体的光学性质,包括晶体吸收系数、反射率、折射率和能量损失函数的曲线峰值均较掺杂前的峰值有所降低,且曲线整体有向低能方向移动的趋势.     

铁氮掺杂二氧化钛材料的制备与光催化性能研究

通过溶胶凝胶法,以硝酸铁为铁源、尿素为氮源,分别制备了铁掺杂、氮掺杂、铁氮共掺杂二氧化钛粉末。采用X射线衍射仪,紫外-可见光谱仪等对样品进行表征和分析;并以亚甲基蓝作为目标降解物,评价样品的光催化性能。结果表明,500℃下制备的催化剂均为锐钛矿相,结晶性较好,掺杂使材料的吸收光谱发生红移;掺铁5%,掺氮12%时对可见光的吸收效果最好。光催化6 h对亚甲基蓝的降解效果效果Fe-N-TiO_2Fe-TiO_2N-TiO_2纯TiO_2。Fe、N共掺杂产生协同作用,使TiO_2的光催化性能明显优于单掺杂样品和纯TiO_2。     

Cu掺杂A-TiO_2电子结构和光学性质的第一性原理研究

利用基于密度泛函理论的第一性原理计算研究了Cu掺杂的A-TiO_2的电子结构和光学性质.结果表明,p型Cu掺杂会在禁带中引入杂质能级,同时杂质能级的数目随着掺杂Cu原子的增加而增多.由于杂质能级的出现,掺杂体系的禁带宽度变宽但有效禁带宽度降低,电子从低能级向高能级跃迁所需的光子能量变小,掺杂体系吸收谱的吸收峰发生明显的红移.掺杂体系在可见光区(680nm处)出现新的吸收峰,当Cu原子掺杂摩尔分数为4.17%时,A-TiO_2对可见光的净吸收最优,可有效提升A-TiO_2光催化剂的性能.可为制备高效的TiO_2半导体光催化材料研究提供参考.     

稀土金属掺杂TiO_2光催化剂及活性预测的研究进展

对近年来稀土金属掺杂TiO_2光催化剂的制备和光催化机理进行了综述.以TiO_2为例,光催化反应只发生在当高能量紫外光照射在催化剂上.稀土金属作为掺杂剂展现了极好的潜能,不仅可以使吸收红移,还能够提高TiO_2的光催化活性.制备的方法包括溶胶凝胶法、水热法、模板法、阳极氧化法、静电自组装法和沉淀法等.文章重点强调了单稀土掺杂对TiO_2的晶型、粒径、光学性质、比表面积和光催化活性的影响,比较了稀土金属共掺杂与单掺杂的不同.分析了基于第一性原理的密度泛函理论对其光催化活性的研究,讨论了晶格参数、能带结构、电子结构、几何结构、态密度以及光学性质等理论计算.最后提出了通过模式识别预测稀土掺杂TiO_2的光催化活性的可行性.