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。     

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.     

Au掺杂锐钛矿TiO2的光吸收能力第一性原理计算

TiO_2作为光催化材料由于其带隙较大只能吸收380 nm以下的近紫外光,为了令锐钛矿TiO_2更广泛应用于光催化领域中,需要对锐钛矿进行改进来增强其光吸强度甚至增加其对可见光的吸收能力.采用基于密度泛函理论框架下的第一性原理平面波赝势方法,通过Au原子替换TiO_2的钛原子获得Ti_1-mAu_mO_2材料计算模型,使用Material studio8.0中的CASTEP模块对Au掺杂锐钛矿TiO_2进行第一性原理计算,讨论了Au掺杂对锐钛矿晶体能隙、态密度、光吸收京数等方面的影响.结果显示,Au掺杂可以使晶体的禁带宽度减小,并且使TiO_2的光吸收系数阈值发生红移,增强了光吸收的能力,在可见光区表现出一定程度的吸收.     

含氧空位锐钛矿表面的非金属杂质对其吸附NH_3特性的影响

【目的】金属氧化物光学气敏材料可用来灵敏检测环境气体成分及浓度,而对这一材料的掺杂是改善其光学气敏特性的一种重要途径。【方法】基于密度泛函理论的平面波超软赝势方法,模拟计算了含氧空位锐钛矿TiO_2(101)表面掺杂非金属C、N、F对NH_3分子吸附,对掺杂后锐钛矿TiO_2(101)表面结构的稳定性、NH_3分子吸附后表面结构的稳定性、态密度、电荷分布、差分电荷密度、光学性质给以理论分析。【结果】分析发现:非金属杂质C,N,F易掺杂于有氧空位的TiO_2(101)表面,且有基底的稳定性从大到小依次为C,N,F;杂质元素掺杂于基底表面提高了基底表面氧空位的氧化性,更有助于NH_3分子的吸附,且杂质元素对基底氧空位氧化性的贡献从小到大依次为C,N,F;通过态密度和光学性质分析,NH_3分子吸附在C和N掺杂于含氧空位TiO_2(101)基底表面相对于无掺杂含氧空位TiO_2(101)基底表面降低了材料在可见光范围内的利用率;而吸附在F元素掺杂于含氧空位TiO_2(101)基底表面对可见光范围内的利用率相对于吸附在无掺杂含氧空位TiO_2(101)基底表面的利用率提高了5倍。【结论】掺杂F元素显著的提高了材料的光学气敏传感能力。     

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.     

Cu掺杂TiO_2(101)和(001)面调制效应的第一性原理研究

文章采用周期性密度泛函理论,研究了Cu掺杂于锐钛矿TiO_2晶体、吸附和掺杂于TiO_2(001)和(101)表面及次表面后晶体结构的变化及形成能,并讨论了能带结构及态密度的变化.通过形成能的比较发现,Cu最佳掺杂位为TiO_2(001)表面空穴位,且掺杂后TiO_2禁带宽度明显减小并出现半金属性.通过态密度分析可以看出最佳掺杂位Cu-O之间发生较强p-d杂化,证明CuO相的出现.上述结果与实验吻合较好,有效揭示Cu掺杂TiO_2的微观机理     

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.     

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。     

P、Bi掺杂锐钛矿相TiO2的第一性原理研究

针对纯的锐钛矿二氧化钛(TiO_2)禁带宽度较高,不能吸收大部分可见光的问题,采用基于密度泛函理论的第一性原理,计算了P、Bi掺杂锐钛矿相二氧化钛的态密度和光学性质。研究结果表明:纯锐钛矿相二氧化钛禁带宽度计算值为3.22 eV。P、Bi单掺或者共掺均会降低二氧化钛的禁带宽度,P、Bi共掺禁带宽度为1.83 eV,大大提高了锐钛矿相二氧化钛对可见光的吸收。     

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。     

(Cu+N)共掺杂锐钛矿相TiO_2(001)面和(101)面电子结构的第一性原理计算

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法研究了3d过渡元素Cu掺杂及(Cu+N)共掺杂于锐钛矿相TiO_2(001)面和(101)面的电子性质,给出了不同掺杂形式形成能、能带结构、态密度及电荷分布的变化,得出了(Cu+N)共掺杂时最稳定的结构.通过计算Cu表层吸附、表层和次表层替位掺杂以及晶体间隙掺杂的形成能,发现Cu掺杂更易发生在TiO_2(001)面的空穴位,此时N偏向于在水平方向上的O位发生替位掺杂.计算结果表明(Cu+N)共掺杂后Cu-3d与O-2p,N-2p及Ti-3d轨道上的电子发生p-d杂化效应,引发O-2p,N-2p态发生劈裂使得价带范围扩大,Ti-3d态下移且发生劈裂形成新的导带底,并且禁带中产生了新的电子态,禁带宽度减小,同时(Cu+N)施主受主杂质对的出现可以有效防止电子空穴对的复合,提高了TiO_2的光催化活性.     

Cu-Fe共掺杂TiO2电子结构与抗紫外线能力

采用了基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理平面波超软赝势方法,计算了本征TiO_2,Cu、Fe单掺杂及共掺杂TiO_2电子结构和光学性质.计算结果表明:Cu掺杂属于p型掺杂,Fe掺杂均属于n型掺杂,掺杂能够提升TiO_2的载流子浓度,改善其导电性.掺杂后,半导体的吸收边发生红移,且光学性质变化主要集中在低能量区域.Cu-Fe共掺杂时,掺杂体系同时拥有较大的吸收系数与反射率,且能够明显降低紫外线透射率,具有较好的抗紫外线效果.     

钛掺杂对纳米硅晶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方法计算了钛(Ti)掺杂纳米Si晶的形成能、电子结构和光学性质,考虑了Ti占据替代和间隙不同位置的构型特点.结果表明:所有的掺杂结构都是不稳定的,中心四面体间隙Ti掺杂纳米硅晶最接近稳定结构.Ti 3d态分裂为t_(2g)和e_g态.对于Ti替代掺杂,e_g在带隙中提供一个空带,不能产生受体态;对于四面体间隙Ti掺杂,部分填充的t2g态出现在带隙中,其形成的杂质能级可满足杂质带材料的要求.由间隙Ti掺杂Si纳米晶的介电函数虚部和光吸收系数可知,Ti的掺入可增强对太阳光谱的吸收强度.     

Yb掺杂量对混晶相TiO_2可见光催化活性的影响

采用简单的溶胶-凝胶法制备稀土Yb掺杂混合晶相TiO_2纳米粉体,通过XRD、XPS、TEM、FT-IR、UV-Vis-DRS、PL和Nano-sizer纳米粒度仪等对样品进行表征,以可见光辐照下催化降解亚甲基蓝(MB)为模型,研究了Yb掺杂对纳米TiO_2的结构和可见光催化活性的影响.结果表明,Yb掺入TiO_2后在表面存在Yb~(3+)和Yb~(2+)两种形态,Yb掺杂抑制了TiO_2从锐钛矿向金红石的相转变,阻碍晶粒生长,增加了纳米TiO_2表面-OH数量;适量的Yb掺杂可促使合适比例的金红石与锐钛矿的混晶相形成,有效降低TiO_2光生e~-/h~+对的复合率,扩大吸收光谱的波长范围,提高TiO_2光催化活性.当热处理温度500℃、掺杂量n(Yb):n(Ti)=0.009时Yb-TiO_2样品在普通日光灯下对MB在6 h内的光催化降解效率达95.2%,明显高于同等条件下纯TiO_2样品的降解率56.4%.     

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.     

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.     

碳掺杂TiO_2(101)晶面上水的吸附和解离

运用密度泛函理论研究了未掺杂、体相掺杂和表层掺杂碳的锐钛矿型二氧化钛(101)晶面(TiO_2(101))上水吸附及其分解动力学。结果表明:分子态水在3种表面上吸附结构比解离态的吸附结构更稳定,说明水在这3种表面上自发解离在热力学上是不允许的。进一步对3种表面上水解离的动力学研究表明:表面掺杂碳的TiO_2(101)上水解离的势垒最低,水在这个面上解离速度最快。这归因于表面碳掺杂对TiO_2(101)面的表层结构有很大影响。     

前界面缺陷对钙钛矿太阳电池性能的影响模拟

通过对光伏器件的模拟分析可以进一步提高对器件的认识深度,在实际工艺中利于优化器件制备条件,为高效钙钛矿太阳电池提供新思路.借助SCAPS模拟软件研究钙钛矿电池中钙钛矿吸收层、CH_3NH_3PbI_(3-x)Cl_x/TiO_2界面、TCO/TiO_2界面中缺陷态密度对电池性能的影响,模拟表明CH_3NH_3P I_(3-x)Cl_x中缺陷态密度和缺陷能级位置对器件效率的影响非常大,当缺陷态密度小于10~(16)cm~(-3)时,器件光电转换效率都能保持较高数值,达到16%以上.CH_3NH_3PbI_(3-x)Cl_x/TiO_2界面层中CH_3NH_3PbI_(3-x)Cl_x缺陷态密度对器件的FF影响较大,当缺陷态密度小于10~(17)cm~(-3)时器件填充因子都能保持较高的数值,达到78%以上.TiO_2缺陷态密度降低和掺杂浓度提高对器件填充因子和开路电压都有利.TCO/TiO_2界面层中适当增大窗口层掺杂浓度和带隙可以有效改善器件的光伏性能.     

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。