Ni-N共掺杂锐钛矿型TiO_2的第一性原理

采用基于密度泛函理论(DFT)的平面波超软赝势(PWPP)方法,对Ni-N共掺杂前后锐钛矿型TiO_2的超晶胞体系进行了几何结构优化,从理论上给出了掺杂体系的晶格参数。讨论了Ni掺杂、N掺杂、Ni-N共掺杂对锐钛矿型TiO_2的晶体结构、能带结构、态密度等的影响。结果表明:Ni-N共掺杂对锐钛矿型TiO_2的晶格参数和晶体结构的影响不大,从能带结构和态密度看,Ni掺杂后TiO_2价带和导带之间出现了主要由O-2p和Ni-3d共同作用而产生的杂质能级,N的掺入使得TiO_2导带下移。Ni、N的共同作用导致禁带宽度变窄,吸收带红移,拓宽了光响应范围。这些计算结果很好地解释了Ni-N共掺杂锐钛矿型TiO_2在可见光下具有良好的光催化性能的内在原因。本文从理论上对纯TiO_2,以及Ni掺杂、N掺杂、Ni-N共掺杂进行了较系统的研究,其中纯TiO_2和N掺杂TiO_2的结果与前人的一致;Ni掺杂和Ni-N共掺杂是这个系列的新内容。从理论上对这个系列的TiO_2光催化材料进行了比较,得出Ni掺杂和Ni-N共掺杂可以使TiO_2的禁带宽度变窄,有助于光催化活性提高这一结论,与我们的紫外可见吸收实验结果一致,与前人实验中发现Ni-N共掺杂TiO_2在可见光区的活性比纯TiO_2高1倍的实验事实相符。