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.     

溶胶-凝胶法制备TiO_2薄膜及其光学特性

采用溶胶 -凝胶方法在二氧化硅玻璃基片上制备了TiO2 薄膜 ,通过测量薄膜在紫外 -可见光波段的透射率和反射率光谱 ,对其光学特性和吸收边缘进行了研究 .实验结果表明 ,吸收边缘大约在 35 0nm附近 ,并且随热处理温度的升高 ,吸收边缘向长波方向移动 ,锐钛矿相的禁带宽度比金红石相的禁带宽度高 0 .15eV     

溶胶—凝胶法制备TiO2薄膜及其光学特性

采用溶胶－凝胶方法在二氧化硅玻璃基片上制备了TiO2薄膜,通过测量薄膜在紫外－可见光波段的透射率和反射率光谱,对其光学特性和吸收边缘进行了研究。实验结果表明,吸收边缘大约在350nm附近,并且随热处理温度的升高,吸收边缘向长波方向移动,锐钛矿相的禁带宽度比金红石相的禁带宽度高0．15eV。     

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.     

钾掺杂对纤锌矿型氧化锌电子结构和光学性质的影响

针对纯纤锌矿型ZnO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,构建了钾掺杂ZnO的4种超胞模型,并对4种模型进行几何优化,计算了K_XZn_1-XO的能带结构、态密度和光吸收性能。结果表明：采用广义梯度近似法(GGA)+U方法计算得到纯氧化锌带隙为3.373 eV,与实验值一致;随着钾掺杂量X的增大,ZnO的禁带宽度E_g出现先增大后减小再增加的现象,K_XZn_1-XO吸收带发生先蓝移后红移的现象。     

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.     

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。     

Fe掺杂TiO2薄膜的低温制备及光吸收性能研究

将不同比例的Ti粉和Fe粉的混合粉末加入到质量分数为30%的H2O2溶液中,然后把Ti片浸入其中,保持80℃低温反应72h,在Ti片上形成了Fe掺杂TiO2薄膜。利用X射线衍射仪,扫描电子显微镜,紫外-可见光谱仪等多种手段对薄膜的结构及光吸收性能进行了研究。结果表明,在Ti片表面形成了结构较为疏松的锐钛矿相Fe掺杂TiO2薄膜;与未掺杂的TiO2薄膜相比,不同Fe粉含量生成的Fe掺杂TiO2薄膜的紫外-可见光吸收边均发生明显红移,禁带宽度均有所减小;掺Fe量为3%时,TiO2薄膜的禁带宽度减小至3.04eV。     

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.     

铁掺杂纳米TiO2的可见光催化性能

为了提高纳米TiO2催化剂的光催化氧化性能,采用溶胶-凝胶法,以酞酸丁酯为原料制备铁掺杂纳米TiO2光催化剂(Fe-TiO2).分别采用X射线衍射和紫外-可见光漫反射对其晶相和光催化活性进行表征.以偶氮结构的弱酸性染料溶液为目标降解物,研究在可见光照射下Fe-TiO2的光催化性能.结果表明,Fe-TiO2光催化剂的晶相为单一锐钛矿相,粒径为17.7nm;吸收边带红移至500nm,禁带宽度减小到2.48eV.在可见光下光催化反应180min,Fe-TiO2光催化剂对弱酸性染料的降解率达99.86%.     

铁氮掺杂二氧化钛材料的制备与光催化性能研究

通过溶胶凝胶法,以硝酸铁为铁源、尿素为氮源,分别制备了铁掺杂、氮掺杂、铁氮共掺杂二氧化钛粉末。采用X射线衍射仪,紫外-可见光谱仪等对样品进行表征和分析;并以亚甲基蓝作为目标降解物,评价样品的光催化性能。结果表明,500℃下制备的催化剂均为锐钛矿相,结晶性较好,掺杂使材料的吸收光谱发生红移;掺铁5%,掺氮12%时对可见光的吸收效果最好。光催化6 h对亚甲基蓝的降解效果效果Fe-N-TiO_2Fe-TiO_2N-TiO_2纯TiO_2。Fe、N共掺杂产生协同作用,使TiO_2的光催化性能明显优于单掺杂样品和纯TiO_2。     

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.     

畅晓钰1 李 帅1 苏耀东2 姚鸿飞2 陈玉静2

通过溶胶凝胶法,以硝酸铁为铁源、尿素为氮源,分别制备了铁掺杂、氮掺杂、铁氮共掺杂二氧化钛粉末。采用X射线衍射仪,紫外-可见光谱仪等对样品进行表征和分析。并以亚甲基蓝作为目标降解物,来评价样品的光催化性能。结果表明,500℃下制备的催化剂均为锐钛矿相,结晶性较好,掺杂使材料的吸收光谱发生红移,掺铁5%,掺氮12%时对可见光的吸收效果最好。光催化6h对亚甲基蓝的降解效果效果Fe-N-TiO2＞Fe-TiO2＞N-TiO2＞纯TiO2。Fe、N共掺杂产生协同作用,使TiO2的光催化性能明显优于单掺杂样品和纯TiO2。     

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.     

Fe~(3 )-TiO_2复合纳米薄膜的制备及光催化特性的研究

通过射频磁控溅射工艺制备了TiO2复合纳米薄膜并分析了薄膜的结构及光催化特性.退火温度在350-550℃时Fe3 -TiO2复合薄膜均为锐钛矿相,以石英玻璃为基片的掺铁TiO2复合膜在(101)面有一定的择优取向.复合膜晶粒为锥形颗粒,薄膜表面积大于同温度退火时的纯二氧化钛薄膜,晶粒结晶过程中Fe3 替位Ti4 在晶粒中形成分离的P型杂质能级,TiO2的禁带宽度受到Fe3 杂质能级的影响使TiO2复合纳米膜的光吸收阈值有明显的“红移”的现象,在模拟日光环境光催化甲基橙试验中,Fe3 -TiO2复合纳米膜的催化活性高于二氧化钛薄膜.     

从三元黄铜矿结构CuM（M=In,Ga）X2（X=Se,S）到CuIn0.5-Ga0.5Se2的价电构、熔点和光电性能的关联性分析

应用"固体与分子经验电子理论"(Empirical Electron Theory,EET)系统地研究了三元黄铜矿结构CIGS的价电子结构,以此为基础分析了CIGS(Cu(In,Ga)(Se,S)2)的熔点和光吸收性质.计算结果和实验值符合的很好,计算得到Cu的3d电子与In,Ga的s电子杂化后的跃迁可以使CIGS吸收光子.CuInSe2的禁带宽度在1–1.16eV之间,CuGaSe2的禁带宽度在1.54–1.74eV之间,CuInS2的禁带宽度在1.4–1.61eV之间,CuGaS2的禁带宽度在2.36–2.44eV之间.用球磨、退火的方法得到CuIn0.5Ga0.5Se2单相,通过XRD得到晶体结构,差热分析得到熔点.根据晶体结构和熔点,用EET计算得出CuIn0.5Ga0.5Se2吸收光子的能量主要分布在1.17–1.56eV之间,禁带宽度接近较小值.黄铜矿结构的CIGS都可以吸收紫外光,其中CuInSe2的吸收效率最高,主要吸收峰在紫外区,CuGaSe2吸收紫外光的效率最低.     

从三元黄铜矿结构CuM（M=In,Ga）X2（X=Se,S）到CuIn0.5Ga0.5Se2的价电构、熔点和光电性能的关联性分析

应用＂固体与分子经验电子理论＂（Empirical Electron Theory,EET）系统地研究了三元黄铜矿结构CIGS的价电子结构,以此为基础分析了CIGS（Cu（In,Ga）（Se,S）2）的熔点和光吸收性质.计算结果和实验值符合的很好,计算得到Cu的3d电子与In,Ga的s电子杂化后的跃迁可以使CIGS吸收光子.CuInSe2的禁带宽度在1–1.16eV之间,CuGaSe2的禁带宽度在1.54–1.74eV之间,CuInS2的禁带宽度在1.4–1.61eV之间,CuGaS2的禁带宽度在2.36–2.44eV之间.用球磨、退火的方法得到CuIn0.5Ga0.5Se2单相,通过XRD得到晶体结构,差热分析得到熔点.根据晶体结构和熔点,用EET计算得出CuIn0.5Ga0.5Se2吸收光子的能量主要分布在1.17–1.56eV之间,禁带宽度接近较小值.黄铜矿结构的CIGS都可以吸收紫外光,其中CuInSe2的吸收效率最高,主要吸收峰在紫外区,CuGaSe2吸收紫外光的效率最低.     

氮掺杂暴露（001）面二氧化钛的制备及其可见光催化性能研究

以尿素为氮源、HF为调控剂,采用水热法制备了以（001）活性面为主的氮掺杂型TiO2催化剂.SEM、TEM、XRD、Raman及UV-Vis测试结果表明,TiO2及N-TiO2产品均为暴露（001）面的纳米片状锐钛矿结构,TiO2在高温900℃煅烧仍能保持锐钛矿结构.F-不仅对（001）面的暴露起到很好的调控作用,而且抑制了TiO2在高温下向金红石相的转化.氮的掺杂窄化了TiO2的禁带宽度,使其边带红移,在可见光区域有很强的吸收峰.并且,随着氮掺杂量的增多,N-TiO2在可见光的吸收峰增强.以可见光降解染料罗丹明B溶液作为探针反应,研究了不同N/Ti配比的N-TiO2的可见光催化活性,氮掺杂TiO2的可见光催化活性比照纯TiO2有明显的改善.     

可见光响应氮掺杂TiO2光催化剂的水热法制备与性能

以工业TiOSO4为原料,尿素为沉淀剂,采用水热均匀沉淀及其后续的掺氮热处理方法制备了氮掺杂的纳米TiO2粉体.分别采用XRD、XPS、BET、UV-VisDRS、FT-IR、TEM等方法对所制备的粉体进行了表征.以电子节能灯为光源、亚甲基蓝溶液为目标污染物研究了所制备产物的光催化活性.结果表明,水热粉体产物在900℃以下均为纯锐钛矿相,1000℃时几乎全部转变为金红石相;由XRD计算得出的颗粒尺寸与TEM的分析结果基本一致;以尿素为氮源,热处理水热粉体的XPS分析表明,N1s峰在399eV处,红外光谱进一步确认是氮取代了二氧化钛中少量晶格氧,形成TiO2-xNy(y≥x);UV-VisDRS分析显示,热处理并加入活性氮源对于吸收边的红移及降低光生电子的复合几率是必要的;水热粉体在热处理前BET为266.490m2.g-1,热处理掺氮后为144.908m2.g-1;光催化实验结果显示热处理掺氮粉体表现出较高的可见光光催化活性.