Gd-N共掺杂锐钛矿相TiO2的电子结构及光学性质研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理计算了Gd与N单掺杂及Gd与N共掺杂锐钛矿相TiO2的电子结构、差分电荷密度、能带结构、态密度及光学性质。结果显示：Gd与N共掺杂TiO2的Gd—N键键长比Gd单掺杂TiO2的Gd—O键键长短,共价性更强,因此,Gd与N共掺杂TiO2比Gd单掺杂TiO2时结构更稳定;Gd单掺杂TiO2时,Gd 4f电子态贡献了有利于电子分步跃迁的杂质能级,吸收光谱发生红移,N单掺杂TiO2时,N2p电子态与Ti 3d电子态的强相互作用,使得带隙减小,吸收光谱发生红移,Gd-N共掺杂TiO2时,由于Gd 4f电子态与N 2p电子态的协同作用,在TiO2能带中产生了有利于电子跃迁的杂质能级且禁带宽度最小,吸收光谱红移最明显。证明,Gd-N共掺杂TiO2比Gd、N单掺杂TiO2时光谱响应范围更宽,光催化性能最优异。

Gd掺杂锐钛矿型二氧化钛的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论(DFT)平面波超软赝势方法并选择GGA水平上的PW91相关能泛函,模拟计算了Gd掺杂前后锐钛矿型TiO2的几何结构、能带结构、态密度和光吸收系数,并与实验结果进行比较。结果表明:Gd掺杂锐钛矿型TiO2晶体后,对称性不变,晶格常数变大,价带顶部主要由O-2p和Gd-4f轨道上的电子共同构成,导带底部主要由Ti-3d轨道上的电子构成;主要由于价带上移使得禁带宽度(Eg)变小,TiO2吸收带边红移,可见光区的光吸收强度增加。可见,Gd掺杂有助于提高TiO2催化剂的光催化活性,扩展其光响应范围。