The effects of N, F and S doping on electronic structures and optical Properties of TiO2

基于第一性原理的计算方法研究了掺杂N,F,S的锐钛矿相TiO2的晶体结构、电子结构及光学性质。计算结果表明掺杂后晶格发生了变化,同时导带位置下移导致了TiO2的禁带宽度变小。S掺杂使TiO2在紫外光区和可见光区有更强的光吸收特性。     

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.     

第一性原理计算Zr/S共掺杂锐钛矿相TiO_2的电子结构

利用基于密度泛函理论的第一性原理平面波赝势方法对Zr/S共掺杂锐钛矿相TiO2的晶格参数、电荷布居、能带结构、电子分态密度和吸收光谱进行了计算.计算结果表明:Zr/S共掺杂导致锐钛矿相TiO2的晶格畸变使其体积变大,共掺杂时Zr和S的电荷布居数与单掺杂前的布居数略有不同;Zr/S共掺杂还导致锐钛矿相TiO2的禁带宽度变大0.1eV,达到2.30eV,但是由于Zr/S共掺杂在TiO2禁带之内引入了杂质能级,这些杂质能级可以作为电子跃迁的"台阶"而降低电子从价带跃迁到导带所需的激发光子能量,这有可能是实验上制备的Zr/S共掺杂TiO2具有较高光催化活性的内在原因.     

(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.     

La/S共掺杂对锐钛矿相TiO2电子结构的影响

采用基于密度泛函理论的第一性原理对La/S共掺杂前后锐钛矿相TiO2的晶格参数、电荷布居以及电子结构进行了计算.结果表明:La/S共掺杂导致TiO2晶格膨胀并减小了锐钛矿相TiO2的禁带宽度,同时在TiO2禁带之内引入了局域态的杂质能级,这些杂质能级可以充当电子从价带到导带跃迁的"桥梁"以减小激发光子的能量从而提高太阳光的利用率.为实验上合成的La/S共掺杂TiO2可见光催化剂提供了一定的理论基础.     

La/S共掺杂对锐钛矿相TiO2电子结构的影响

采用基于密度泛函理论的第一性原理对La/S共掺杂前后锐钛矿相TiO2的晶格参数、电荷布居以及电子结构进行了计算.结果表明：La/S共掺杂导致TiO2晶格膨胀并减小了锐钛矿相TiO2的禁带宽度,同时在TiO2禁带之内引入了局域态的杂质能级,这些杂质能级可以充当电子从价带到导带跃迁的＂桥梁＂以减小激发光子的能量从而提高太阳光的利用率.为实验上合成的La/S共掺杂TiO2可见光催化剂提供了一定的理论基础.     

S、La3+共掺杂TiO2的制备及其可见光下光催化制氢性能

采用溶胶一凝胶法制备了S、La3 共掺杂TiO2可见光光催化剂.通过UV-Vis DRS、XRD、XPS、电化学等手段对催化剂进行了表征.以可见光光催化制氢为探针反应考察了催化剂的活性.结果表明:两种元素掺杂没有改变TiO2的晶型,但掺杂后增强了TiO2晶格畸变;La3 掺杂显著地提高了S/TiO2的可见光活性.相对于纯TiO2和S/TiO2,S、La3 共掺杂时TiO2的粒径更小,平带电位负移更明显,光的吸收边带红移更显著.当S、Ti的量比,n(S)/n(Ti)为5:1、La3 掺杂量(质量分数)为0.75%、煅烧温度为450℃时,La3 /S/TiO2的光催化活性最高.     

N、S共掺杂型二氧化钛光催化降解有机污染物的性能研究

用自制N、S共掺杂的TiO2纳米粉体降解亚甲基兰溶液,同未掺杂、单掺N或单掺S的TiO2纳米粉体做了比较,系统地研究了影响TiO2降解亚甲基兰溶液的因素.结果显示,无论是太阳光还是紫外光照射下,N、S共掺杂的TiO2纳米粉体具有比其它三种光催化剂更好的催化效果,并且发现在煅烧温度为450℃、亚甲基兰溶液的pH值为中性条件下,N、S共掺杂的TiO2纳米粉体降解效果达到最佳.     

C掺杂锐钛矿TiO2电子结构和光学性质的第一性原理计算

基于第一性原理,计算了碳掺杂锐钛矿相TiO2的电子结构和光学性质.计算结果表明,纯TiO2的晶格参数与实验值以及其它的理论结果符合的很好;碳掺杂TiO2的带隙间出现了三个孤立的非纯态;掺杂TiO2的带隙和结构参数随着掺杂碳的含量和分布方式变化;碳掺杂TiO2可以吸收波长更长的太阳光,有助于提高TiO2的可见光催化活性.     

N掺杂TiO2的制备、表征及其光催化性能

采用水热法制备了N掺杂TiO2光催化剂,并用X衍射、X光电子能谱和紫外-可见吸收光谱进行了表征,测定了其光催化氧化甲基橙的催化性能.结果表明,与未掺杂TiO2相比,N掺杂TiO2在可见光区有更大的吸收,N的掺杂还明显提高了TiO2光催化氧化甲基橙的性能.     

Synthesis,characterization,and theoretical study of N,S-codoped nano-TiO2 with photocatalytic activities

Nitrogen and sulfur doped titanium dioxide photocatalysts were prepared by the sol-gel method.The products were characterized by X-ray diffraction (XRD),transmission electron microscopy (TEM),and UV-visible diffuse reflectance spectra (DRS).Photocatalytic activities of the samples were investigated on the degradation of methyl orange (MO).The effect of the dopants on the electronic structure of TiO2 was studied by the first-principles calculations based on the density functional theory (DFT).The orbital hybridization resulted in energy gap narrowing and electronic delocalization in the crystal of doped TiO2.Mobile electrons of varied energetic states could offer enhanced electron transfer,together with optical absorption improvement.The results show that the doping elements of N and S play a cooperative role in the modification of electronic structure,which enhances the photocatalytic performance.The experimentally observed absorption edges of N-doped TiO2,S-doped TiO2,and N,S-codoped TiO2 are 420,413,and 429 nm,respectively,which can be explained by the theoretical calculation results.     

锐钛矿型TiO_2空位缺陷性质的第一性原理研究

近年来运用减小TiO2禁带宽度的方法来提高TiO2的活性在实验上被广泛研究.本文运用基于局域密度泛函和赝势的第一性原理方法研究了锐钛矿相TiO2点空位缺陷性质和在具有点空位缺陷情况下的晶体结构、能带结构与态密度状况.分析发现缺陷使晶体结构发生畸变;近邻缺陷氧原子有靠近氧空位而远离钛空位的趋势,而近邻缺陷钛原子有靠近钛空位而远离氧空位的趋势;氧空位缺陷使费迷能级升高大约2.6 eV而钛空位缺陷使费米能级降低,并在价带顶部产生一个与价带顶能量相差约0.25 eV的杂质能级.结果表明,氧空位使导带变宽是n型杂质而钛空位使导带变窄是p型杂质,氧空位附近多余电子的主要贡献在价带,引起电荷布居数变化并改变了晶体中电子局域化运动的性质.     

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。     

ZnO纳米线与硫掺杂TiO2微/纳复合材料的制备及其光催化活性

采用水热法制备了ZnO纳米线与硫掺杂TiO2（ZnO/S-TiO2）微/纳复合光催化剂,通过SEM、XRD、XPS对复合光催化剂进行表征,探讨了硫掺杂量和煅烧温度对该复合催化剂光催化性能的影响。结果表明,ZnO微米线表面形成了粒径较为均一的纳米S-TiO2颗粒,硫掺杂TiO2中形成了Ti-O-S键;当硫掺杂量为0.8mol%并经500℃高温煅烧的复合光催化剂对菲的降解呈现出最好的光催化活性。     

Co和Ag掺杂对TiO2的改性作用研究

利用基于密度泛函理论和平面波赝势的第一性原理计算方法,研究Co和Ag分别掺杂金红石型TiO2的电子结构与磁性能.结果表明,Co原子掺杂TiO2后,掺杂原子沿c轴排列时体系最稳定,同时表现出铁磁性.Ag和Co的掺杂都对TiO2的能带结构产生影响,从而减小了带隙.研究结果可望用于优化设计具有稀磁半导特性和可见光催化特性的复合功能材料.     

锐钛矿型TiO2空位缺陷性质的第一性原理研究

近年来运用减小TiO2禁带宽度的方法来提高TiO2的活性在实验上被广泛研究。本文运用基于局域密度泛函和赝势的第一性原理方法研究了锐钛矿相TiO2点空位缺陷性质和在具有点空位缺陷情况下的晶体结构、能带结构与态密度状况。分析发现缺陷使晶体结构发生畸变;近邻缺陷氧原子有靠近氧空位而远离钛空位的趋势,而近邻缺陷钛原子有靠近钛空位而远离氧空位的趋势;氧空位缺陷使费迷能级升高大约2．6eV而钛空位缺陷使费米能级降低,并在价带顶部产生一个与价带顶能量相差约0．25eV的杂质能级。结果表明,氧空位使导带变宽是n型杂质而钛空位使导带变窄是P型杂质,氧空位附近多余电子的主要贡献在价带,引起电荷布居数变化并改变了晶体中电子局域化运动的性质。     

染料敏化光电池中纳米TiO2膜的制备及性能研究

本文以商品P25为原料，利用涂层和热处理的方法在导电玻璃上制备纳米TiO2膜。扫描电子显微镜（SEM）测试结果表明，薄膜均匀、内部含有许多的纳米孔洞。X射线衍射仪（XRD）测试结果表面热处理前后TiO2的晶体结构没有显著变化。将纳米TiO2膜组装成染料敏化太阳能电池并研究了其光电转化性能。     

Cr、Mn掺杂锐钛矿相TiO2的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的平面波超软赝势的方法,研究了纯锐钛矿相TiO2、Cr、Mn单掺杂TiO2的能带结构、电荷布居、态密度和光学性质.对电子性质分析发现:Mn掺杂引起杂质能带位于禁带中央,杂质能带最高点与导带相距大约0.6 eV,而最低点与价带相距大约0.65 eV,其中杂质能带主要由O原子的2p轨道和Mn原子的3d轨...     

Y-Nb共掺杂金红石型Ti02电子结构和光学性质的第一性原理研究

目的计算分析Y-Nb共掺杂对金红石型TiO2的微观结构、电子结构和光学性质的影响,为实验研究和实际应用提供理论依据。方法采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势计算方法。结果Y掺杂后禁带宽度减小,出现受主能级并跨越了费米能级,低能区出现介电峰,价带主要由O2p态、Ti3d和Y3p4d态共同构成;Nb掺杂后禁带宽度有所减小,价带和导带整体负移,但是对介电峰没有明显的影响;Y-Nb共掺杂的形成能最低,杂质原子引起了晶格结构的畸变,使得以Ti为中心和分别以Y、Nb为中心的氧八面体正负电荷中心分离,从而产生内偶极矩,有利于光生电子空穴对的分离。结论Y-Nb共掺杂极大地减小了禁带的宽度,提高了金红石型TiO2对可见光吸收性,从而减少电子从价带跃迁到导带所需的能量。