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.     

同主族C-Si共掺杂TiO2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C-Si共掺杂TiO2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载波跃迁能。C-Si的共掺杂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,第三构型在可见光区域具有最大吸收系数。     

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.     

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.     

Cu-Cd共掺杂ZnO电子结构与光学性质的第一性原理计算与分析

基于密度泛函理论系统下的第一性原理,对纯ZnO,Cd掺杂ZnO,Cu掺杂ZnO,Cu-Cd共掺杂以及Cu-2Cd共掺杂ZnO五个超晶胞模型分别进行几何结构优化;计算和分析了各体系的晶胞结构,能带结构,态密度以及光学性质方面的介电函数虚部,吸收率和反射率.研究结果表明:Cu,Cd单掺杂可提高ZnO的载流子浓度,改善ZnO的导电性;但Cu和Cd共掺杂ZnO时,体系的E更低,状态更加稳定.光学性质方面:Cd掺杂时,紫外区边发生红移,吸收系数略增大;当Cu单掺以及Cu和Cd共掺杂ZnO,体系在可见光和紫外波段吸收系数明显增大,使得ZnO光催化性能提升;结合Cu和Cd单掺杂的特性,说明当Cu和Cd共掺杂ZnO时,控制Cd的掺杂浓度,半导体会产生不同的透光率,因此控制Cu-Cd的比率来掺杂ZnO可用于制作不同效率的光透性器件.     

Co-Mo共掺杂Al2O3电子结构及透射率的第一性原理计算

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Al_2O_3,Co、Mo单掺杂以及Co-Mo共掺杂Al_2O_3的电子结构和光学性质.计算结果表明:Mo单掺杂以及Co-Mo共掺杂Al_2O_3的结合能较低,比较容易合成.Co、Mo掺杂均属于n型掺杂,能够提升掺杂体系的载流子浓度,改善Al_2O_3的导电性.掺杂体系的杂质能级主要由Co-3d态电子和Mo-4d态电子组成,这些杂质能级是改变掺杂Al_2O_3光学性质的内在原因.掺杂后,吸收光谱发生红移现象,且光学性质变化主要集中要低能量范围.本征Al_2O_3薄膜在200～800 nm范围内的透射率约为92%,Mo单掺杂和Co-Mo共掺杂Al_2O_3在600～780 nm波段内的透射率高达93%～98%,在200～280 nm的短波紫外光区域,Co单掺杂的透射率最高可达95%.因此,三种掺杂Al_2O_3适用于制备各类光学透射膜.     

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.     

N、Pt共掺杂锐钛矿的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论(DFT)框架下的平面波超软赝势方法,计算了N、Pt单掺杂及其共掺杂锐钛矿型TiO2的几何构型、电子结构和吸收光谱.结果表明,N/Pt共掺杂使TiO2的晶格体积、原子间的键长发生改变,晶体中产生了偶极矩,能更有效地分离光生电子-空穴对.计算得到N和Pt单掺后带隙分别为1.65eV和1.62eV,与纯锐钛矿带隙(2.13eV)相比,分别降低了0.48eV和0.51eV,而N/Pt共掺杂后的带隙值为1.10eV,比纯锐钛矿禁带宽度降低了1.03eV,从而提高了催化剂性能,与实验结果相吻合.     

钒氮共掺锐钛矿TiO2电子结构第一性原理计算与实验的对比研究

基于密度泛函第一性原理,完成了体相钒-氮共掺杂锐钛矿TiO2杂质形成能、晶体结构、态密度与能带等电子结构的计算,并与课题组制备的钒-氮共掺杂TiO2的结构表征数据、晶粒尺寸等进行了对比分析,依据理论计算的能带结构、电子态密度等数据,探讨钒-氮共掺杂TiO2光催化活性提高的机理,为通过钒-氮共掺杂提高TiO2光催化活性的机理分析提供理论依据。     

CO在（N，Fe）共掺杂锐钛矿TiO2（100）表面吸附的第一性原理计算

采用基于密度泛函理论的平面波超软赝势方法PBE＋U,研究了三类（N,Fe）共掺杂锐钛矿相TiO2（100）表面的稳定性及CO在最优掺杂表面的吸附,计算了最优表面不同掺杂位的结合能、吸附能、成键和电子结构．结果表明：CO在清洁TiO2（100）面及（N,Fe）非近邻掺杂表面的吸附较弱,（N,Fe）近邻共掺杂表面的吸附较强．通过吸附能的比较可知,N位吸附的吸附能最低,吸附最稳定,Fe位次之．由态密度可以看出,吸附方式的变化主要源于（N,Fe）表面近邻共掺杂改变了TiO2（100）面电子结构,使吸附位原子与C原子形成新的化学键．     

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.     

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。     

硫氮共掺杂TiO2薄膜的可见光催化性能

以钛酸丁酯(C16H36O4Ti)和硫脲(SC(NH2)2)为前驱体制备溶胶,通过旋涂方法制备Ti O2光催化剂薄膜;利用XRD、SEM、XPS、UV-vis等手段进行结构表征和光吸收性能测试,并通过降解亚甲基蓝溶液评定其可见光下的光催化活性。结果表明,以硫脲为前驱体时可实现硫氮元素在Ti O2中的共掺杂;掺杂后的Ti O2薄膜对可见光有明显的吸收,并在可见光下对亚甲基蓝溶液显示出较高的降解率,其中掺杂量质量分数为3.0%的薄膜样品光催化活性最好。在本实验条件下,经可见光照射7 h后,亚甲基蓝溶液降解率接近100%。分析表明,硫元素以S6+状态取代Ti4+存在于Ti O2晶格,氮元素则以间隙和取代的方式存在。硫氮元素的协同作用在Ti O2的禁带中引入杂质新能级,使Ti O2带隙变窄,因此对可见光吸收并显示出强的可见光催化活性。     

TiO_2电子结构的第一性原理计算

利用基于密度泛函理论的赝势方法对锐钛矿、金红石和萤石结构的TiO2进行模拟,研究了锐钛矿结构、金红石结构和萤石结构TiO2的基本性质参数,包括晶格常数、体弹模量B0和体弹模量对压强的一阶导数B0′。对模型进行结构优化后,应用第一性原理方法比较分析了三种晶型TiO2的电子结构,研究了其能带和态密度的分布情况,得出TiO2的价带主要是由O的2p态贡献的,导带主要是由Ti的3d态贡献的。得到三种晶型的禁带宽度,其中萤石结构的禁带宽度远小于金红石结构和锐钛矿结构,可以预计萤石TiO2光谱的吸收范围扩大,光催化性能会相应有所提高。     

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.     

zr掺杂对Ti02光学性质的影响

利用电子束沉积方法在玻璃基底上制备了TiO2薄膜及zr掺杂TiOz薄膜．采用拉曼光谱仪和分光光度计对膜的结构和吸收光谱进行了表征;研究结果表明：退火温度为773K时,沉积得到的Ti02薄膜为锐钛矿结构的薄膜;Zr掺杂锐钛矿型TiO2,导致带隙减小,掺杂后在350—450nm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;1％掺杂量对光的吸收系数于大5％的掺杂量．     

钆、镉共掺纳米TiO_2光催化剂的合成及其光催化性能研究

以钛酸四正丁酯、硝酸钆和硝酸镉为原料,采用溶胶-凝胶法合成了Gd和Cd共掺杂型纳米TiO2光催化剂,借助X-射线粉末衍射(XRD)、X-射线光电子能谱(XPS)及UV-vis等测试手段对样品进行了表征,并以罗丹明B为模型污染物考察了掺杂量对样品光催化活性的影响规律。XRD分析表明,所得粉体均为锐钛矿相纳米TiO2,且Gd和Cd共掺后随着掺杂量的增加,纳米TiO2特征衍射峰宽化,强度降低;UV-vis光谱分析表明,适量钆(0.2%)掺杂使得催化剂在400～600nm的可见光区域对光响应,而在Gd掺杂的基础上掺杂Cd后,催化剂在紫外光区及400～600nm的可见光区吸收显著增强,对光具有更高的利用率;光催化实验表明,钆和镉掺杂对纳米TiO2光催化活性有显著的影响,当钆和镉掺杂量为0.2%、0.3%时其光催化活性最好。