铁离子表面掺杂锐钛矿TiO_2(001)面的第一性原理研究

基于周期性密度泛函理论,本文研究了Fe吸附于锐钛矿TiO2(001)面、替位掺杂表面Ti位,以及在横向晶隙和纵向晶隙内部掺杂的晶体结构变化及形成能,讨论了对应的能带结构及态密度的变化。为与表面氧空位进行对比,计算了氧空位存在条件下的能带结构及态密度。通过形成能的比较发现:Fe在吸附于晶体表面并向体内迁移时,倾向于掺杂在晶体表面晶隙位置。通过对电子结构及态密度的分析发现:Fe在晶体表面晶隙掺杂较表面氧空位掺杂更有利于TiO2光催化氧化效率的提高。

引入应力的锐钛矿TiO2（001）薄膜的外延生长

锐钛矿TiO2(001)(anatase TiO2(001),简记为ATO)表面因其优异的催化活性受到了广泛的关注。理论计算结果表明,ATO表面应力导致的晶格畸变可能会增强该表面的催化活性。因此有必要研究应力对ATO表面结构的影响。本文利用BaTiO3(001)(简记为BTO)与ATO之间存在较大的晶格失配度,将ATO薄膜外延生长在BTO衬底上从而引入应力,研究了存在应力情况下的ATO薄膜的结构特征。实验中,利用脉冲激光沉积方法在Nb掺杂的SrTiO3(001)(简记为STO)单晶衬底上制备了ATO/BTO/STO外延薄膜。X射线衍射(XRD)和扫描透射电子显微术(STEM)结果表明,作为应力引入层的BTO薄膜厚度约为46 nm时,能够部分地将应力引入到ATO薄膜中。X射线光电子能谱(XPS)结果显示,ATO薄膜合适的厚度应大于15 nm,从而降低从衬底反向扩散至表面的Sr和Ba原子的浓度;Ti 2p的高分辨XPS谱仅呈现出Ti4+峰,表明ATO表面Ti原子为完全氧化的价态。ATO外延薄膜表面的扫描隧道显微术(STM)图像仍然呈现为(1×4)重构的结构,但在(1×4)重构的脊上存在明暗交替并具有一定周期性的特征。根据完全氧化的“增氧原子模型”(ad-oxygen model,AOM),脊上观察到的明暗交替特征可归因于表面应力导致的“TiO2”空位缺陷结构。

具有高活性能量{001}晶面锐钛矿TiO_(2)的进展研究

概述了近年来国内外众多有关高活性能量{001}晶面锐钛矿TiO_(2)的研究进展。简述了其在光催化分解水制氢、降解有机物、染料敏化太阳能电池、光催化选择性及锂电池等方面的应用,以及展望了其今后的研究方向。

Ce-N共掺锐钛矿TiO2（001）取向电子结构和光学性质

采用第一性原理研究了Ce和N共掺杂锐钛矿TiO2的稳定性、电子结构和光学性质.结果表明在锐钛矿TiO2中Ce倾向于间隙掺杂,而N更倾向于O替位掺杂;Ce单掺杂和Ce-N共掺杂都能使TiO2带隙宽度减小,同时N原子还能在价带顶引入浅受主能级,有利于可见光的吸收和阻止光生载流子-空穴复合;Ce单掺杂和Ce-N共掺杂锐钛矿TiO2(001)取向都满足光催化制氢条件,因此都具有良好的光催化特性.综合分析带边位置和吸收光谱发现Ce-N共掺杂能有效提高锐钛矿TiO2(001)取向的光催化制氢能力.

高能(001)晶面外露的锐钛矿TiO2微球的水热制备及其气敏性能研究

采用一步水热法制备了由高能(001)晶面外露的锐钛矿相单晶组装而成的TiO_2微球.通过反应体系p H值的调控可以对TiO_2微球的微观形貌进行调控.对TiO_2微球的生长机理进行了分析.结果表明:适中的氢氟酸分子浓度对高能(001)晶面的稳定至关重要.进一步的研究表明,得益于高能(001)晶面的外露以及独特的分级形貌,这种TiO_2微球对丙酮表现出了优异的气敏性能.

不同暴露比例(001)晶面锐钛矿相TiO_2纳米方块的合成及气敏性能

在众多提高TiO_2气敏性能的尝试中,晶面调控的方法引起了极大的关注。主要通过调整水热反应的制备工艺,实现TiO_2的(001)晶面暴露不同比例,对其进行气敏性能的研究。通过改变反应物浓度完成了一系列不同晶面暴露比的TiO_2纳米方块的可控水热合成,实现了对TiO_2纳米方块形貌以及晶面的调控。合成TiO_2纳米方块暴露(001)晶面的比例从33.33%增加到83.33%。随(001)晶面暴露比例的提高,对于丙酮气体的灵敏度从14.3提高到了27.8。

(001)晶面占主导的锐钛矿TiO_2纳米片的制备、表征及光催化性能的研究

采用水热法以HF为形貌控制剂制备了Ti O2纳米片,通过改变HF用量对纳米片的形貌尺寸进行了调控。通过X射线衍射(XRD)、透射电镜(TEM)等测试对Ti O2纳米片的结构、形貌进行了表征。结果表明制备出了(001)晶面占主导的锐钛矿Ti O2纳米片,Ti O2纳米片在紫外光催化降解罗丹明B时表现出了较强的光催化性能。

稀土金属掺杂对锐钛矿型TiO2光催化活性影响的理论和实验研究

从理论和实验两方面探讨稀土金属掺杂对锐钛矿型TiO2光催化活性的影响.理论上采用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理,对稀土掺杂TiO2前后的几何结构、能带结构、态密度及电子结构进行了系统的研究.结果表明,Y,La,Gd,Lu,Ce,Eu,Yb和Tb掺杂有助于TiO2光催化活性的提高;而对于Pr,Nd,Pm,Sm,Dy,Ho,Er和Tm掺杂,由于在价带顶和导带底之间形成了较多的可能成为光生电子和空穴的复合中心的杂质能级,故此类稀土的掺杂浓度需要控制在较小的范围内.另一方面,采用溶胶-凝胶法制备了9种稀土金属(RE=Y,Ce,Pr,Sm,Gd,Dy,Ho,Er,Yb)掺杂的TiO2粉体,运用X射线衍射(XRD)和紫外-可见光谱法(UV-Vis)分别表征其晶体结构和光学吸收性质.结果表明,掺杂前后的TiO2均为锐钛矿相,且Ho,Pr,Ce,Sm,Y,Yb和Gd掺杂使TiO2在可见光区的吸收有不同程度的提高.理论预测与实验结果基本一致,且理论研究结果与周期表中稀土元素外层电子轨道排布规律一致,从而揭示了稀土元素掺杂的本质规律,指明了适量的稀土掺杂有利于TiO2光催化活性的提高.

Au掺杂方式对锐钛矿TiO2光催化性能的影响

结合超临界乙醇干燥技术,采用沉积-沉淀(DP)和共沉淀(CP)法分别制备了具有单一锐钛矿晶相的Au/TiO2和Au(0.2%,原子分数)-TiO2光催化剂,通过XRD、BET、TEM、XPS和Raman手段表征样品中Au的掺杂形态,以光催化降解甲基橙为模型反应考察了样品的光催化活性.结果表明,DP法制备的Au/TiO2在110℃干燥处理后,表面存在的Au3+能有效地促进锐钛矿TiO2光催化性能,其一级反应速率常数比纯锐钛矿TiO2提高了3.2倍,比商用光催化剂Degussa-P25提高了4.1倍,而当Au3+被还原为Au0后光催化活性下降.用CP法制备的Au-TiO2并没有较大地提高锐钛矿TiO2光催化性能,在焙烧温度达到800℃时,Au向表面迁移聚集,造成锐钛矿TiO2晶格氧空位和缺陷位增加,使光催化活性下降.

水热合成法制备锐钛矿型纳米TiO_2粉体的研究

以工业硫酸氧钛为原料,尿素作沉淀剂,固定6MPa的初始压力和300r／min的搅拌速度,在110—150℃的反应温度、2—8h的反应时间、0．25-1．5mol／L的硫酸氧钛反应浓度的条件下,采用水热合成法制备了锐钛矿型纳米TiO2粉体．采用XRD、TEM、BET等测试手段对在不同条件下所制备粉体的物相组成、晶粒度、比表面积等进行了分析．结果表明, 所制备的粉体均为锐钛矿型纳米TiO2．粉体的比表面积分布在124-240m2／g、晶粒度分布在 6．7—10．6nm．随着反应温度的升高和反应时间的延长,晶粒度增大,比表面积降低．随前驱体浓度的提高,晶粒度也增大,当前驱体浓度<0．5mol／L时,比表面积随着前驱体浓度的增大而增大．当前驱体浓度>0．5mol／L时,比表面积随着前驱体浓度的增大而减少．

锐钛矿型纳米TiO_2介孔粉体表面织构的研究

以硫酸钛和尿素为原料 ,聚乙二醇 -1 0 0 0为空间构造剂 ,1 0 4℃下经尿素水解均匀沉淀法研制颗粒分散均匀、粒径可控的高热稳定性锐钛矿型纳米 Ti O2 介孔粉体 ,并对其晶相、颗粒大小、比表面积、形貌和孔道结构进行了表征 .结果表明 ,未经任何热处理的 Ti O2 粉体即为锐钛型晶相 ,颗粒为均匀分散的类球型颗粒 ,且颗粒间形成直通型的介孔孔道 ,其孔径在 1 0～ 30 nm之间 .控制焙烧温度可以达到控制颗粒大小及形貌的目的 ,经 85 0℃焙烧 5 h的样品仍保持锐钛矿型晶相 ,未出现向金红石型晶相转变的迹象 .

稀土(La/Ce/Pr/Nd)掺杂锐钛矿相TiO_2磁性及光催化活性的第一性原理研究

采用密度泛函理论下的平面波赝势方法,建立了未掺杂锐钛矿TiO_2和La/Ce/Pr/Nd单掺杂的锐钛矿TiO_2模型.几何优化后,通过计算形成能分析了掺杂结构的稳定性;通过自旋电子态密度的计算分析了各个掺杂模型的磁性状态,并采用比较磁性基态能量的方法对分析结果加以验证;讨论了各稀土元素掺杂对锐钛矿能带结构和吸收光谱的影响.结果表明:La/Pr掺杂的锐钛矿TiO_2具有亚铁磁性,Nd掺杂的锐钛矿具有反铁磁性,Ce掺杂锐钛矿为顺磁体;Ce掺杂对锐钛矿能带结构影响较小,吸收光谱红移不明显,而La/Nd掺杂则能有效提升锐钛矿对可见光的吸收系数,Pr掺杂能使锐钛矿TiO_2在红外光区出现吸收峰.

锐钛矿相TiO_2电子结构和光学性质的第一性原理计算

采用第一性原理平面波超软赝势方法计算了锐钛矿相TiO2的电子结构和光学性质,并从理论上分析了它们之间的关系.利用精确计算的能带结构和态密度分析了电子带间跃迁占主导地位的锐钛矿相TiO2的介电函数、复折射率、反射率和吸收系数,理论计算得到的结果与实验测量结果基本一致.结果表明锐钛矿相TiO2在E∥c和E⊥c两个极化方向上具有明显的光学各向异性,为锐钛矿相TiO2的应用提供了理论依据.

V掺杂锐钛矿相TiO_2的光吸收特性

使用V2O5和乙醇作为V掺杂TiO2的滴加液,运用溶胶-凝胶方法制备了不同浓度的V掺杂锐钛矿相TiO2的薄膜样品.对这些样品进行了紫外-可见透射光谱实验,发现V掺杂锐钛矿相TiO2的光谱响应范围向可见光区域移动,掺杂浓度为1.0%(摩尔分数)时红移效果最明显.此外,运用第一性原理,对V掺杂锐钛矿相TiO2的电子结构进行了研究,并运用能带结构理论对实验现象进行了解释.研究中发现:在V掺杂锐钛矿相TiO2后,随着V浓度的增加,TiO2的禁带宽度逐渐减小,光谱响应范围扩大,能提高它的可见光响应;但是由于掺杂后价带与导带比较接近,容易形成新的空穴-电子复合中心,以及导带区域V3d轨道上电子与Ti3d轨道上的电子强关联作用也会降低电子的还原性,所以V浓度的增加会使TiO2的光催化性能降低.理论上计算出在V掺杂浓度为6.25%(摩尔分数)时,TiO2的光吸收边红移最大,与实验得到的变化趋势相吻合.

Cr掺杂锐钛矿相TiO_2光学性质的第一性原理研究

本文对Cr掺杂TiO2进行了基于密度泛函理论的第一性原理研究。模拟计算了完整及Cr掺杂TiO2的电子结构,介电函数及吸收光谱的偏振特性。计算结果表明完整的锐钛矿型TiO2晶体在可见光范围内无吸收;掺Cr后晶体的禁带宽度减小到2.25 eV,吸收边红移,并在可见光区域出现了2.51 eV(495 nm)的吸收峰,表明Cr掺杂有利于提高TiO2对太阳光的吸收。计算结果与实验结果基本相符。

N、C共掺杂锐钛矿相TiO_2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的平面波超软赝势方法,研究了N和C原子分别单掺杂和双掺杂锐钛矿TiO2的形成能、晶体结构、电子结构和光学性质.计算结果表明:原子替位掺杂后体系晶格发生畸变;C替位掺杂更倾向于替代Ti位,而非O位;替位掺杂使TiO2光吸收带边发生了明显红移,且在可见光区域的吸收效率明显增加,大大提高了光催化效率.与单掺杂比较发现,N、C双掺杂红移现象更加明显,为较好的掺杂改性方式.

锐钛矿型TiO_2水溶胶的低温制备及其表征

Anatase titanium dioxide hydrosol was prepared at low temperature by a simple method. The title material was characterized by TEM, XRD, FTIR and BET, respectively. The photocatalytic activity of the as-prepared TiO2 was evaluated by the degradation of methyl orange solution under sunlight and the photocatalytic oxidation of acetone in air. The results showed that the titanium dioxide hydrosol was composed of anatase phase with average grain size of about 7 nm, and the crystallinity became more perfect with the increase of temperature. The BET surface areas were more than 220 m2·g-1 for these samples. It is found that the photocatalytic activity was much better for the higher heat processing temperature. Especially, the photocatalytic activity of the sample with a heat treatment of 110 ℃ was better than that of P25. In addition, TiO2 hydrosol also possessed good photocatalytic activity under the sunlight illumination.

针状TiO_2锐钛矿晶粒溶胶的制备、结构及形成机理研究

0引言TiO2薄膜能在紫外线的照射下发生光催化反应,将有机物分解为CO2和水,可用于清除有机物、杀菌、消毒、处理污水等,同时由于TiO2薄膜的超亲水性使其具有自洁去污、易清洗、防水雾等功能,引起了广泛的关注[1,2].

锐钛矿型纳米TiO_2在棉织物上的原位生长及其抗紫外线性能

室温条件下白色棉府绸织物二浸二轧自制的TiO2-SiO2复合溶胶，于98—100℃水热处理20min后晾干。织物的紫外线透过率和UPF测定结果显示，复合溶胶整理后棉织物的紫外线防护性能大大提高。采用SEM、AFM和XRD对整理后棉织物进行表征发现织物上有锐钛矿型纳米TiO2生成，其粒径为30m左右。标准水洗实验证明，棉织物上原位生长的锐钛矿型纳米TiO2与织物结合牢固，10次水洗后织物的抗紫外线性能没有下降，反而有所提高。

锐钛矿型TiO_2纳米管的离子液体辅助水热合成及紫外光催化活性

在离子液体[Bmim]OH辅助的水热条件下合成了结晶度较好的偏钛酸纳米管,经470℃煅烧2 h,可转变为锐钛矿型TiO2纳米管.对产物的物相、形貌和比表面积等进行了表征.结果表明,锐钛矿型TiO2纳米管的比表面积约为355 m2/g,主孔径约为25 nm.锐钛矿型TiO2纳米管和偏钛酸纳米管均呈现出明显的紫外光催化降解对氯苯酚的活性,锐钛矿型TiO2纳米管的降解效率约为44%(1 h).离子液体的加入不仅可扩大水热合成的温度范围,且有助于提高偏钛酸纳米管的结晶度.