Si掺杂金红石TiO2光学特性的第一性原理研究

TiO2是一种重要的n型金属氧化物半导体功能材料。近年来的实验与理论研究表明,运用杂质掺入来减小TiO2禁带宽度是提高其活性的一种有效办法。本文运用基于局域密度泛函和赝势的第一性原理方法,从理论上研究了Si掺杂金红石相TiO2的电子结构和光学特性。通过能带结构、态密度及电荷布居的分析发现,Si原子的引入使Si-Ti的键长发生明显的变化,近邻氧原子有靠近硅原子的趋势而近邻钛原子有远离硅原子的趋势。半导体禁带宽度没有明显变化,但是禁带中产生了一个杂质能级,该杂质能级主要是由Si的3p电子和Ti的3d电子杂化引起的。因此,Si掺杂能使材料的宏观特性表现为电子激发能量减小,材料活性增强,响应可见光范围达到480nm左右。     

一步法合成锐钛矿相和金红石相TiO2的光催化活性的研究

以酞酸丁酯为钛源,利用一步合成法分别合成出锐钛矿相和金红石相TiO2,并利用XRD、BET和SEM表征其晶相、粒度和表面状态,其结果证实两种晶相TiO2具有相近的结晶度和粒度。在此前提下,通过对两种晶相TiO2进行第一性原理、DRS和ζ电位的分析,得到金红石相TiO2的光催化活性优于锐钛矿相TiO2的结论。此外,在可见光条件下,选取带不同表面电荷的三种有机物进行2h光催化实验,其光催化反应动力学的结论证实了金红石相TiO2的光催化反应速率较优,并对其原理进行了解释。     

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.     

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。     

低温一步水热法制备W掺杂TiO2

为提高TiO2的液相光催化性,对TiO2进行金属离子掺杂改性.采用低温水热一步法,以钛酸正丁酯和Na2WO4.H2O为前驱体,在水溶液中,通过水热反应成功制备了W掺杂锐钛矿TiO2纳米颗粒(W/TiO2).通过俄歇电子能谱、X射线衍射、透射电镜、X射线光电子能谱和荧光光谱对其结构和形貌进行了表征,并通过光催化降解亚甲基蓝溶液,评价了光催化性能.结果显示,W6+取代Ti 4+位置进入TiO2晶格形成固溶体,提高了TiO2的热稳定性,抑制了光生电子/空穴的复合,因此,光催化活性提高.低温水热一步法具有不需二次加热,通过调节前驱体配比和水热温度控制产物成分、结晶度等优点.     

板钛矿相TiO2电子结构和光学性质的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论(DFT)框架下广义梯度近似平面波超软赝势法,计算了板钛矿相TiO2的电子结构、态密度、电荷密度和光学性质。计算结果表明板钛矿相TiO2为直接带隙氧化物,禁带宽度为2.36 eV;计算并分析了板钛矿相TiO2的复介电常数、复折射率、光电导谱、吸收系数、反射率和损失函数,计算得到其静态介电常数为(100)、(010)和(001),方向分别为4.12、3.37和3.45,折射率分别为2.03、1.83和1.89;通过对比发现,由于板钛矿相TiO2晶体结构的对称性,在(100)、(010)和(001)方向上具有明显的光学各向异性,为板钛矿相TiO2的应用提供了理论参考数据。     

(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.     

Si掺杂金红石TiO2光学特性的第一性原理研究

TiO2是一种重要的n型金属氧化物半导体功能材料。近年来的实验与理论研究表明,运用杂质掺入来减小TiO2禁带宽度是提高其活性的一种有效办法。本文运用基于局域密度泛函和赝势的第一性原理方法,从理论上研究了Si掺杂金红石相TiO2的电子结构和光学特性。通过能带结构、态密度及电荷布居的分析发现,Si原子的引入使Si-Ti的键长发生明显的变化,近邻氧原子有靠近硅原子的趋势而近邻钛原子有远离硅原子的趋势。半导体禁带宽度没有明显变化,但是禁带中产生了一个杂质能级,该杂质能级主要是由Si的3p电子和Ti的3d电子杂化引起的。因此,Si掺杂能使材料的宏观特性表现为电子激发能量减小,材料活性增强,响应可见光范围达到480nm左右。     

Ag负载SnO2/TiO2复合光催化剂的合成及其废水处理

目的合成Ag负载SnO2/TiO2复合光催化剂,并对其在废水处理中的应用加以研究。方法以钛酸四丁酯、无水乙醇和四氯化锡为原料,采用光还原法制备载Ag纳米SnO2/TiO2光催化剂,以罗丹明B为模型污染物,借助XRD和UV-Vis等测试手段研究了SnO2/TiO2复合光催化剂的UV-Vis吸收光谱和光催化活性。结果纳米SnO2/TiO2光催化剂的最佳钛锡比为156∶1时的光催化剂具有较高的光催化活性;在氙灯照射下,Ag负载SnO2/TiO2的活性明显增强,具有很强的可见光活性。废水处理实验结果表明,太阳光照射2 h,炼油厂废水COD值由原始的844 mg/L降低至472mg/L,去除率为44.08%,照光5 h,COD去除率为76.78%,且色度和气味均全部去除。载Ag纳米SnO2/TiO2复合光催化剂(摩尔比为1∶1)对炼油厂废水COD有较高的去除效果。结论以最佳工艺条件下制备的TiO2为原料,采用光还原法成功制备出载Ag纳米SnO2/TiO2复合光催化剂,适用于采油厂工业废水的处理,太阳光下照射5 h,COD去除率可达76.78%。     

铕掺杂TiO2粉末的制备及其可见光光催化性能研究

以钛酸四正丁酯为原料,采用水热法制备铕掺杂TiO2粉末,对铕掺杂TiO2粉末的可见光光催化性能进行研究,并通过XRD、SEM分析对其进行表征。结果表明,铕掺杂TiO2粉末没有改变晶相结构,铕掺杂后使TiO2粉末由不规则形状转变为实心球状,且提高了TiO2粉末的光催化性能。模拟太阳光实验发现,铕掺杂TiO2粉末可明显提高其可见光光催化的降解能力,当辐照度为500W/m2、时间为240min时,其降解率达到78%。     

基于第一性原理的Mg2Sn和Mg2Ge半导体热力学性质研究

目的 计算Mg2Sn和Mg2Ge半导体热力学性质.方法 采用基于第一性原理的赝势平面波方法.结果 计算了Mg2Sn和Mg2Ge的等容比热、德拜温度等热力学性质并确定了声子色散曲线,计算结果可以和实验值很好的符合.结论 采用第一性原理研究材料的宏观和微观性质是合理可信的计算方法.     

二维Ta4C3O2电子结构的拓扑性质

过渡金属碳化物和氮化物也被称为MXenes材料,是一类具有独特性质的新型二维材料.经第一性原理计算发现,二维Ta₄C₃O₂的电子结构可能具有拓扑性质,而Ta₄C₃已被成功制备,Ta₄C₃O₂可通过表面功能化实现制备.这些结果将为研究MXenes材料的拓扑性质提供有利借鉴,也为今后的实际应用奠定基础.     

Ru2Si3电子结构及光学性质的第一性原理计算

采用基于第一性原理的密度泛函理论赝势平面波方法系统地计算了正交相Ru2Si3的电子结构、态密度和光学性质, 计算结果表明Ru2Si3是一种直接带隙半导体, 禁带宽度为0.51 eV; 其能态密度主要由Ru的4d层电子和Si的3p层电子的能态密度决定; 静态介电函数ε1（0）＝16.83; 折射率n0＝4.1025; 吸收系数最大峰值为2.8×105 cm-1; 并利用计算的能带结构和态密度分析了Ru2Si3材料的介电函数、反射谱、折射率以及消光系数等光学性质, 为Ru2Si3光电材料的设计与应用提供了理论依据.     

ReB2电子结构性质的第一性原理计算

利用全势线性缀加平面波方法计算ReB2的体模量、价电荷态密度、电子能带结构和电子态密度.计算发现当取B’0=4时,局域密度近似（LDA）考虑自旋轨道耦合（SOC）得到的体模量为360 GPa,与实验值吻合的很好.电子能带结构表明ReB2具有特殊的金属特性,LDA＋ SOC计算结果发现几乎所有能带沿L-H-A方向发生分裂.价电荷态密度和电子态密度结果表明Re-d和B-p态之间存在强的杂化,形成Re-B共价键,这类共价键是ReB2具有高硬度的主要原因.     

Ag/TiO2,Pd/TiO2和TiO2对庚烷的光催化氧化活性

用光沉积法制备Ag/TiO2和Pd/TiO2催化剂样品,然后用表面光电压谱(SPS)和紫外可见吸收光谱(UV-Vis)对样品进行表征.以气态庚烷为反应体系,来比较上述两种催化剂的光催化活性.与纯TiO2比较,Ag和Pd的存在提高了TiO2的光催化活性;其原因可解释为金属Ag或Pd捕获电子,从而提高了电子-空穴对的分离效率;结果还表明与Pd/TiO2催化剂相比,Ag/TiO2表现出较高的光催化活性,这主要是Ag比Pd具有较强的捕获电子的能力.     

磁控溅射制备Ag/TiO2复合薄膜的光催化降解性能

为了提高TiO2薄膜的光催化效率,利用中频交流磁控溅射技术,采用Ti和Ag金属靶制备了Ag/TiO2复合薄膜.利用X射线光电子能谱、 X射线衍射和扫描电子显微镜分析了复合薄膜的成分、结构和表面形貌,并研究了其光催化降解性能.结果发现: Ag在厚度较薄时以聚集颗粒形式存在; 在Ag膜厚度为15 nm时, Ag/TiO2复合薄膜与TiO2薄膜相比其光催化效率可提高2倍; Ag/TiO2复合薄膜对亚甲基蓝的光催化降解效率与复合薄膜的透射率均随Ag膜厚度增加逐渐下降,其原因是Ag膜厚度不断增加,最终完全覆盖TiO2薄膜表面,阻挡了TiO2薄膜与污染物的有效接触, Ag作为光生电子捕获剂的有利影响消失.     

非金属掺杂TiO2光催化剂的研究进展

主要介绍了非金属元素（N,C,S,F,P和B）掺杂TiO2的制备方法和可见光催化活性研究的最新进展,深入分析了非金属元素对TiO2吸收光谱的影响机理,指出了非金属掺杂TiO2研究过程中存在的问题和未来的研究方向。     

Ag/h-BNNS/PVP复合纤维膜光催化CO2还原性能研究

为了改善纳米贵金属材料的光催化性能,以三聚氰胺和硼酸为原料,采用前驱体高温热解制备高比表面积的氮化硼纳米片(h-BNNS),将其真空浸渍AgNO₃后加入到聚乙烯吡咯烷酮(PVP)纺丝液中,通过静电纺丝得到Ag/h-BNNS/PVP复合纤维膜,并对复合纤维膜的组成、微观结构和光电热等性能进行表征,以CO₂的还原反应为模型探究测试复合纤维膜的光催化剂性能。结果表明：银纳米颗粒(Ag NPs)均匀分散于复合纤维的表面,平均粒径小于10 nm;纳米Ag等离子共振效应显著提高了复合物纤维膜对可见光的吸收和电子-空穴对的分离效率,Ag NPs的引入提高了膜材料的热稳定性;制备工艺中的焙烧温度为250 ℃,Ag NPs的含量为1.0%时,复合纤维膜的光催化活性最佳（CO产率为300 μmol/(g·h））;Ag/h-BNNS/PVP复合膜经过10次循环使用后,光照8 h的CO产率不低于500 μmol/g。通过掺杂Ag NPs改性h-BNNS,并将Ag/h-BNNS复合微粒负载于PVP纤维中可制备高效多孔复合膜催化剂,为氮化硼基催化剂的研究提供了理论参考。