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．     

N_2O和CO_2在N+Fe/TiO_2(101)面吸附的第一性原理研究

基于周期性密度泛函理论,研究了N2O和CO2气体在N/Fe共掺杂锐钛矿TiO2(101)面最稳定结构的吸附,并与其在洁净TiO2(101)面的结果进行了对比.详细比较了三原子气体不同吸附位、不同吸附端在Fe位及N位吸附的吸附能、键长和键角的变化.结果表明:N2O在Fe位吸附较清洁表面强,为化学吸附;CO2在改性表面的吸附较清洁表面弱.     

含氧空位锐钛矿表面的非金属杂质对其吸附NH3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Ti O2(101)表面掺杂非金属C、N、F对 NH3 分子吸附,对掺杂后锐钛矿 TiO2(101)表面结构的稳定性、NH3 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TiO2(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NH3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,NH3 分子吸附在 C和 N 掺杂于含氧空位 Ti O2(101)基底表面相对于无掺杂含氧空位 Ti O2(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 Ti O2(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Ti O2(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。
     

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     

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。     

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。     

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.     

(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.     

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.     

锐钛矿型TiO2(101)表面吸附NO2微观特性的理论研究

TiO2作为传感器的敏感材料具有灵敏度高、响应时间快、工作温度低等独特优点,故而受到广泛重视。本文通过基于密度泛函理论(DFT)框架下的第一原理的平面超软赝势方法,运用CASTEP软件包模拟计算了NO2吸附在锐钛矿型TiO2(101)面的吸附距离、吸附能、电子态密度以及光学性质。通过完整锐钛矿型TiO2(101)面和含有1个氧空位缺陷表面对NO2的吸附计算发现,NO2分子在表面吸附时,以O端吸附结构最为稳定;含有1个氧空位的表面对NO2的吸附能大于锐钛矿型TiO2(101)完整表面;吸附过程为放热过程;NO2分子在含有1个氧空位缺陷表面发生吸附时,对可见光低能部分的吸收率较好,可见光范围内的吸收和反射性质发生明显的改变,光学气敏传感器的特性表现显著,以此来探测汽车尾气中NO2气体的含量。研究为锐钛矿型TiO2作为灵敏传感器材料探测汽车尾气有害气体的实验室研制提供理论基础。