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.     

Ce-TiO2的制备与光催化性能研究

采用Sol-gel法制备Ce-TiO2粉体材料,使用XRD、DRUVS等仪器表征了Ce4+掺杂对样品晶型、光谱响应曲线、降解率等结构性能的影响,研究了三者间的相互关联.结果表明:Ce4+离子掺杂阻碍TiO2晶相的形成,在Ce4+掺杂质量分数为0.25时,对可见光吸收达到最高效率,光谱响应阈值为520 nm;在Ce4+掺杂质量分数为0.15时,阳光直射下对甲基橙降解率达到最高,为91.8%.晶型结构决定可见光吸收与降解率.     

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.     

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。     

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.     

多元掺杂负载型TiO2光催化剂的制备与性能

为了提高TiO2光催化剂日光催化性能及解决催化剂回收问题,采用微乳液法制备了La3+、Fe3+、Co2+、Ce4+共掺杂TiO2/粉煤灰微珠光催化剂,用紫外-可见分光光度计测定了光催化剂的可见光吸收性能,用能谱仪(EDS)分析了催化剂的元素含量,以甲基橙为模型污染物考察了催化剂的光催化性能。实验结果表明:掺杂复合粒子在可见光区吸光性能均高于TiO2/漂珠;且多元素掺杂有协同作用,催化剂的吸收边带红移更多,对可见光的吸收也更强。日光照射下(,Co2+,Fe3+,Ce4+)三元共掺杂催化剂的活性≈(La3+,Ce4+)二元共掺杂催化剂的活性>Fe3+、La3+单掺杂催化剂的活性。     

(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.     

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.     

Sb掺SnO_2的光电性质研究

基于密度泛函理论,我们研究了掺杂浓度为12.5%时Sb掺杂SnO2的电子结构和光学性质,包括能带结构、态密度、介电函数和光学吸收谱.掺杂后的SnO2材料的导电性得到了明显的增强,具有了半金属的性质;费米能级处能带细化,介电常数和光学吸收谱具有对应关系,光学吸收谱峰值发生了蓝移.     

Sb掺SnO_2的光电性质研究

基于密度泛函理论,我们研究了掺杂浓度为12.5%时Sb掺杂SnO2的电子结构和光学性质,包括能带结构、态密度、介电函数和光学吸收谱.掺杂后的SnO2材料的导电性得到了明显的增强,具有了半金属的性质;费米能级处能带细化,介电常数和光学吸收谱具有对应关系,光学吸收谱峰值发生了蓝移.     

N和S共掺杂对TiO2电子结构与光学性质的影响

基于第一性原理的计算方法研究了N和S共掺杂的锐钛矿相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.N和S共掺杂使TiO₂在紫外光区和可见光区有更强的光吸收特性.     

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.     

氮掺杂对TiO_2薄膜光学性能的影响

目的研究氮掺杂对TiO2薄膜的折射率、透过率、吸收光谱和光学禁带宽度的影响,寻找最佳的掺N量,通过掺N来提高TiO2薄膜对可见光的敏感度。方法用射频磁控溅射方法在玻璃衬底上,控制氩气和氮气的流量比,生长出不同氮含量的TiO2薄膜。结果适量地掺杂可以提高薄膜的折射率;氮掺杂的TiO2薄膜的光学吸收边发生了明显的红移现象;可见光吸收带中存在肩峰的根本原因是出现了新的氮的2p能级。结论通过适量的氮掺杂可以有效地减小TiO2薄膜的光学禁带宽度,从而提高TiO2薄膜对可见光的响应和太阳光的利用效率,拓宽了TiO2薄膜在太阳能电池、光催化降解及建筑材料等方面的应用。     

稀土掺杂TiO2纳米线阵列的可见光催化性能

采用溶胶-电泳沉积法在多孔阳极氧化铝模板上制备了TiO2光催化纳米线,合成了具有高比表面积的糖葫芦状M/TiO2(M代表La3+、Ce3+、Nd3+)纳米线阵列体系。采用SEM对样品进行了表征,表明M/TiO2纳米线阵列保持了模板的有序性;对甲基橙的可见光降解实验表明,稀土金属离子掺杂TiO2纳米线阵列体系具有非常优良的可见光催化性能;紫外-可见吸收光谱测试表明,La3+、Ce3+、Nd3+掺杂增强了TiO2在可见光区域的吸收能力,吸收带边红移至可见光区,未掺杂的TiO2禁带宽度为3.24eV,掺La3+、Ce3+、Nd3+的M/TiO2禁带宽度分别减小至2.6eV、2.8eV、2.0eV,这和光催化性能是大致相对应的。     

N,F和S掺杂对TiO_2电子结构与光学性质的影响

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。     

Sb掺SnO2的光电性质研究

基于密度泛函理论,我们研究了掺杂浓度为12.5%时Sb掺杂SnO₂的电子结构和光学性质,包括能带结构、态密度、介电函数和光学吸收谱。掺杂后的SnO₂材料的导电性得到了明显的增强,具有了半金属的性质;费米能级处能带细化,介电常数和光学吸收谱具有对应关系,光学吸收谱峰值发生了蓝移。     

K掺杂β-BaCu_2S_2电子结构和光学性质的第一性原理研究

为探究K掺杂对β-BaCu_2S_2晶体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理论方法,对不同K掺杂比例β-BaCu_2S_2的电子结构和光学性质进行理论计算和分析.计算结果表明:β-BaCu_2S_2是一种直接带隙半导体,带隙值为0.566 e V.由其能带结构可知,随着K掺杂比例的增加,β-BaCu_2S_2晶体的带隙变窄,导电性增强.此外,随着K掺杂物质的量比例的增加,晶体静态介电常数明显变大,说明此时有电子从价带跃迁到导带.K掺杂可以明显改变晶体的光学性质,随着K掺杂物质的量比例的增加,晶体吸收系数的吸收边发生红移.研究结果说明K掺杂可以改变晶体的电子结构,调制晶体的光学性质,这为β-BaCu_2S_2光电材料的实际应用提供了一定的理论指导.     

N掺杂金红石TiO_2光学性质的第一性原理研究

运用第一性原理的LDA+U(U_(Ti-3d)=7eV,U_(O-2p)=4eV)方法研究了N掺杂金红石TiO_2的电子结构和光学吸收性质。研究表明N元素的掺杂可以降低TiO_2的禁带宽度并在带隙中引入杂质能级。杂质能级主要由O-2p轨道和N-2p轨道之间的耦合形成。杂质能级的引入以及带隙宽度的降低可以增加TiO_2对可见光的响应,并提高Ti O2的光催化活性。费米能级附近的态密度由O-2p轨道和N-2p轨道之间的耦合形成π键构成,电子占据π键态和空的σ键态能级差大约为0.4 eV,可使N掺杂Ti O2的光学吸收边落在在红外区域,即发生了所谓的光学吸收边的红移现象。     

Ce，Sm联合掺杂TiO2薄膜制备及其电致变色特性

以钛酸四丁酯、硝酸铈和硝酸钐为主要原料,采用溶胶-凝胶法在ITO导电玻璃基片表面制备Ce,Sm联合掺杂TiO2电致变色薄膜,Ce,Sm掺杂的摩尔分数分别为0,2%,5%和10%.采用电化学工作站和紫外可见分光光度计,研究了薄膜的循环伏安特性和光谱特性.结果表明,Ce,Sm的摩尔分数为2%时,薄膜的峰值电流最大,电荷存储能力最强,注入电荷密度为1512mC·cm-2,循环可逆性K值为07.Ce,Sm的摩尔分数为5%和10%时,随着掺杂量的增加,薄膜的峰值电流减小,电荷存储能力变弱.Ce,Sm掺杂TiO2薄膜在可见光范围内具有更好的光学透明度,着色时颜色很浅,着色态和褪色态的光谱透过率几乎一致,均在90%以上,可以在电致变色玻璃中作为离子存储材料.     

稀土掺杂TiO2纳米微粒的合成、表征及光催化活性

采用溶胶-凝胶法制备纯的及掺杂不同量铈的TiO2纳米粒子,利用UV-Vis漫反射光谱及XRD等对所制备样品进行表征.以高压汞灯为光源、甲基橙水溶液的脱色为模型反应,研究了CeO2/TiO2的光催化降解反应活性.实验发现: 掺杂Ce的TiO2纳米粒子反射光谱特性向可见光方向红移到500.nm,比纯的TiO2纳米粒子对光的吸收率高、吸收能力强;掺杂的Ce4 仅有少量进入TiO2晶格中,大部分的Ce4 是以小团簇的CeO2形态均匀地分散在TiO2纳米粒子中或者是覆盖在其表面上.说明掺杂Ce能提高TiO2光催化反应活性,且掺杂Ce摩尔分数最佳值为2.0%.