Si掺杂锐钛矿TiO_2的第一性原理研究

为了研究Si掺杂对锐钛矿TiO_2的电子结构和光催化性能的影响,利用基于第一性原理的密度泛函理论计算了纯TiO_2及Si掺杂TiO_2的杂质形成能、能带结构及态密度.研究结果表明,Si的掺杂位置与制备条件有关,富钛和富氧条件下,Si最容易代替TiO_2中Ti的位置.几何优化后Si掺杂TiO_2超晶胞的晶格参数和晶胞体积都发生一定程度的畸变,有利于电子一空穴分离,促进光催化反应进行.Si代替Ti的位置时,禁带宽度减小,发生红移现象;另外两种掺杂状态下,禁带宽度增大,发生蓝移.掺杂位置不同,Si 3p和3s态分布范围不同,是引起电子结构发生不同变化的主要原因.

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.

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.

Si掺杂TiO_2纤维的溶胶-凝胶法制备及其光催化活性

采用溶胶-凝胶法并结合水蒸气活化制备了Si掺杂TiO2纤维,通过TG-DSC,XRD,FT-IR,UV-Vis-DRS,N2吸附-脱附,SEM等手段对纤维样品的结构参数及其表面形貌进行了表征,并以活性艳红X-3B模拟废水体系评价了其光催化活性.结果表明,与纯TiO2产物相比,适量Si掺杂制得的产物是具有丰富介孔结构的TiO2长纤维,不仅热稳定性和晶型稳定性俱佳,而且光催化活性得以显著提高,经900℃热处理后仍能保持结晶完好的锐钛矿相;在Si/Ti摩尔比为0.15时,其比表面积和孔容最大,光催化活性最佳,该纤维作为光催化剂反应75min,水中X-3B的降解率可达99.6%.

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。

非金属阳离子掺杂锐钛矿相TiO_2的第一性原理研究

采用基于第一性原理的平面波超软赝势方法研究了非金属阳离子掺杂锐钛矿相TiO2的晶体结构、杂质形成能、电子结构及光学性质。计算结果表明掺杂后发生的晶格畸变、原子间的键长及原子的电荷量的变化,导致了晶体中的八面体偶极矩增大,使光生电子-空穴对能有效分离;掺杂离子的p态电子与O2p态、Ti3d态杂化形成杂质能级、价带宽化,从而导致TiO2的禁带宽度变窄、光吸收曲线红移到可见光区。这些计算结果很好地解释了非金属阳离子掺杂锐钛矿相TiO2在可见光下具有优良的光催化性能的内在原因。

Ce掺杂锐钛矿型TiO2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.

S、Mn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第一性原理平面波超软赝势方法研究了纯锐钛矿相TiO2,S、Mn分别单掺杂及共掺杂TiO2的晶体结构、杂质形成能、电子结构、光学性质和带边位置。计算结果表明,掺杂后TiO2的晶格发生畸变,原子间的键长、原子的电荷量以及晶体体积都发生变化,导致晶体中八面体偶极矩增大,从而有利于光生电子-空穴对的分离;S掺杂在TiO2的价带顶部形成杂质能级,Mn掺杂在TiO2的导带下方和费米能级附近形成杂质能级,共掺杂后TiO2禁带宽度变窄,光学吸收带边发生红移,TiO2在可见光区有明显的吸收;同时S、Mn共掺杂后TiO2的带边位置发生了明显变化,氧化还原能力增强。

Pt掺杂锐钛矿相TiO_2光催化剂的微观机理研究

采用第一性原理平面波超软赝势方法研究了Pt掺杂锐钛矿相TiO2的晶体结构、电子结构和光学性质,结果表明,Pt掺杂后锐钛矿相TiO2晶格产生畸变,晶胞体积增大晶胞内部八面体偶极矩增加;Pt5d轨道与O2p轨道、Ti3d轨道杂化,分别在价带顶和导带底产生杂质能级,禁带宽度变小,光吸收带边红移至可见光区。理论计算结果与文献报道的实验结果基本一致,较好地阐明了Pt掺杂提高锐钛矿相TiO2光催化性能的机理。

Sm掺杂对锐钛矿TiO_2电子寿命和红移影响的第一原理研究

基于密度泛函理论平面波超软赝势方法,采用第一性原理对不同浓度Sm掺杂锐钛矿相TiO2超胞的结构优化、形成能、能带结构、态密度、差分电荷分布和光学性质进行了计算。结果表明Sm掺杂后锐钛矿相TiO2超胞的电子结构变化很大。在限定的浓度范围内,掺杂浓度越小,形成能越小,掺杂越容易,电子寿命越长,带隙宽度越窄,吸收光谱红移越显著。计算结果与实验结果一致。

W掺杂锐钛矿相TiO_2电子能带结构的第一性原理研究

利用基于密度泛函理论的第一性原理计算了W掺杂前后锐钛矿相TiO2的能带结构、电子态密度及吸收光谱。计算结果表明,W掺杂后锐钛矿相TiO2的禁带宽度减小,且其费米能级移至导带内;W原子对最近邻的Ti和O原子的电子态有显著影响,而对离其较远的Ti和O原子的电子态基本无影响;W掺杂导致锐钛矿相TiO2对紫外光和可见光的吸收减弱,与实验所得W掺杂前后TiO2薄膜的透射光谱显示的结果较一致。

高热稳定性锐钛矿型Nd掺杂纳米TiO_2的制备与表征

以钛酸丁酯为原料,采用溶胶凝胶法合成了纯TiO_2与Nd掺杂TiO_2纳米粉体,对其进行了350℃至850℃的热处理。利用XRD、SEM、和EDS对粉体的晶型结构,微观形貌和元素成分进行表征,研究了Nd掺杂对TiO_2晶粒尺寸以及晶型转变的影响。结果表明:样品晶粒尺寸达到纳米级别,Nd掺杂后TiO_2晶粒尺寸减小。纯TiO_2在550℃时已经有金红石生成,750℃完成锐钛矿向金红石的转变;Nd掺杂TiO_2在750℃时仍然是锐钛矿,850℃时有少许金红石生成,Nd掺杂提高了TiO_2锐钛矿结构的热稳定性。

N/F掺杂和N-F双掺杂锐钛矿相TiO_2(101)表面电子结构的第一性原理计算(英文)

采用密度泛函理论(DFT)平面波赝势方法计算了N/F掺杂和N-F双掺杂锐钛矿相TiO2(101)表面的电子结构.由于DFT方法存在对过渡金属氧化物带隙能的计算结果总是与实际值严重偏离的缺陷,本文也采用DFT+U(Hubbard系数)方法对模型的电子结构进行了计算.DFT的计算结果表明N掺杂后,N2p轨道与O2p和Ti3d价带轨道的混合会导致TiO2带隙能的降低,而F掺杂以及氧空位的引入对材料的电子结构没有明显的影响.DFT+U的计算却给出截然不同的结果,N掺杂并没有导致带隙能的降低,而只是在带隙中引入一个孤立的杂质能级,反而F掺杂以及氧空位的引入带来明显的带隙能降低.DFT+U的计算结果与一些实验测量结果能够较好地符合.

Si掺杂对溶液等离子喷涂TiO_2涂层结构及光催化性能的影响

目的采用溶液前驱体等离子喷涂制备TiO_2以及Si掺杂TiO_2涂层,并分别研究H2流量和Si掺杂对TiO_2涂层光催化性能的影响。方法通过X射线衍射、扫描电子显微镜、拉曼光谱和傅里叶变换近红外光谱表征样品的晶相、表面形貌以及化学结构,然后以甲基橙为目标物,借此模拟有机污染物,利用光化学反应仪测试TiO_2以及Si掺杂TiO_2涂层的光催化性能。结果适量Si掺杂可以细化晶粒,提升TiO_2涂层中锐钛相含量(从7.4%提高到49%),同时形成Ti—O—Si键,Si掺TiO_2涂层甲基橙的降解率达到95%左右,高于纯TiO_2涂层80%的降解率。随着H2流量增加,TiO_2涂层中的晶粒明显粗化,主要以金红石相的形式存在,H2流量为8 L/min的TiO_2涂层甲基橙降解率达到82%,要远高于H2流量为4、10 L/min的52%和33%。结论 Si掺杂TiO_2涂层比纯TiO_2涂层的光催化性能更优,当H2流量为8 L/min时,光催化性能最好。

N-Al共掺杂锐钛矿型TiO_2电子结构的GGA+U方法计算

本文基于密度泛函理论(DFT)的GGA+U方法,应用Materials Studio 5.0软件包中的CASTEP程序模拟计算了Al掺杂锐钛矿型TiO2和N-Al共掺杂锐钛矿型TiO2的电子结构。计算结果表明:Al掺杂和N-Al共掺杂均能够降低TiO2的带隙值。Al掺杂是由于Al的3s和3p态使导带底端下移而导致TiO2的带隙变窄;而N-Al共掺杂由于在体系中引入了N2p态,使导带底端向能量更低的方向移动,比Al单独掺杂时具有更低的带隙值。该研究结果很好地解释了Al掺杂以及N-Al共掺杂诱使TiO2的导带底端下移,禁带宽度减小,导致光谱响应范围红移的内在原因。

Pt-N共掺杂锐钛矿TiO2的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理中的平面波超软赝势(PWPP)方法对理想TiO_2,N单掺杂,Pt单掺杂和Pt-N共掺杂锐钛矿相TiO_2的电子结构进行计算,分析N单掺杂、Pt单掺杂及Pt-N共掺杂对锐钛矿相TiO_2的晶体结构、能带和态密度的影响.计算结果表明:掺杂后TiO_2的晶格发生畸变,原子间键长的变化使晶格发生膨胀,Pt单掺杂、N单掺杂TiO_2禁带宽度变窄,Pt-N共掺杂TiO_2分别在价带顶和导带底产生杂质能级,且禁带宽度缩小范围大,表明Pt-N共掺杂能进一步提高锐钛矿TiO_2催化性能.

Al、F掺杂锐钛矿相TiO_2电子结构的第一性原理计算

采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势方法计算研究了Al掺杂、F掺杂、Al-F共掺杂锐钛矿相TiO2的能带结构、电子态密度和吸收光谱。计算结果表明:掺杂TiO2的禁带宽度均有不同程度的减小,其中Al掺杂TiO2禁带宽度减小幅度最大;掺杂TiO2的吸收边均出现不同程度的蓝移,其中F掺杂TiO2吸收边的蓝移程度最大;在可见光区,F掺杂TiO2的吸收能力明显增强,Al掺杂TiO2居中,而Al-F共掺杂TiO2未增强。

Fe-N共掺杂锐钛矿相TiO_2电子性质与光学性质的第一性原理研究

近年来,Fe和N掺杂锐钛矿相TiO_2半导体在实验中发现许多优异性能,本文采用基于密度泛函理论的平面波超软赝势方法研究了纯锐钛矿相TiO_2、Fe和N单掺杂及Fe和N共掺杂TiO_2的能带结构、电荷布居、态密度和光学性质.分析发现:Fe掺杂引起杂质能带位于禁带中央,杂质能带最高点与导带相距大约0.6 eV而最低点与价带相距大约0.2 eV;N掺杂引起的杂质能带位于价带顶部附近.Fe和N共掺杂后杂质能带由两部分组成,位于价带顶上方0.62 eV和导带底下方0.22 eV处,其中一层杂质能带主要由N原子的2p轨道和Fe原子的3d轨道杂化形成,而另一条杂质能带主要由Fe原子的3d轨道形成,由于杂质能级的出现,使锐钛矿TiO_2的禁带宽度变小.对光学性质分析发现:Fe和N共掺杂会使锐钛矿TiO_2光学吸收带边红移,可见光区的光吸收系数明显增大,在低能区出现了新的吸收峰,对应能量为1.82 eV,与实验结果相符.