Effects of Nonmetal Doping on Electronic Structures and Optical Property of Anatase TiO2 from First-Principles Calculations

采用基于密度泛函理论超软赝势平面波方法的第一性原理计算了纯锐钛相TiO2和非金属(B, C, N, F, P, S, Cl)掺杂体系的晶体结构、电子结构和光学性质。计算结果表明,非金属掺杂后由于晶格常数、键长、原子电荷分布的变化导致TiO2的八面体偶极矩增大,这对光生电子-空穴对的分离是十分有利的。由掺杂物的p电子态与O的2p电子态、Ti的3d电子杂化而形成的杂质能级的存在使大多数掺杂体系的带隙减小,从而使TiO2的基本吸收带边红移到可见光区。根据理论结果,系统分析和比较了非金属对锐钛矿相TiO2电子结构和光学性质的掺杂效应,同时非金属掺杂对TiO2光催化材料在可见光激发下的作用也得到了分析。计算结果解释了部分非金属掺杂可以使锐钛矿相TiO2在可见光激发下具有较高光催化活性的原因。     

第一性原理方法研究硫掺杂二氧化钛的能带结构

使用第一性原理方法理论预测了阴离子取代型S掺杂TiO2的结构参数,并与未掺杂氧化钛对比,计算分析了它们的能带结构、态密度和电子密度.结果表明,掺杂模型中Ti-S键以共价键成分为主,S的3条3p轨道在禁带中形成浅能级掺杂,其中两条接近价带,另一条轨道与价带顶的O2p轨道杂化.分析认为带间能级的出现是阴离子取代型S掺杂TiO2吸收光谱发生红移的直接原因.     

N掺杂TiO2薄膜光催化性能的研究

采用溶胶-凝胶法，以Ti（OC4H9）4和氨水等为原料制备纯二氧化钛、N掺杂以及N，Zn^2＋共掺杂的二氧化钛光催化薄膜。用X射线衍射和X光电子能谱等对薄膜进行了表征，紫外光和可见光下催化剂降解甲基橙溶液的实验结果表明，掺杂TiO2薄膜比无掺杂TiO2薄膜的光催化效率明显提高，并且可见光下对甲基橙溶液有一定的光催化活性，但Zn^2＋的存在对掺杂薄膜的光催化效率没有显著改善。分析原因可能是N掺杂在价带和导带之间形成了缺陷能级，减小了TiO2的禁带能隙，从而使TiO2的吸收带发生红移，实现可见光响应。     

N掺杂TiO2光催化剂的制备与表征

以饱和尿素溶液水解沉淀工艺制备水合TiO2，将水合TiO2在400～700℃的空气气氛下煅烧2h，制得淡黄色的N掺杂TiO2光催化剂。对样品的煅烧过程进行分析，采用XRD，TEM，BET及UV-Vis等对其物相、粒径、比表面积、掺氮量、吸光性能及可见光催化性能等进行测试和表征。结果表明：掺杂氮元素主要以形成配合物分子形式均匀分布在煅烧前驱体中，在TiO2从无定形转变为锐态矿型的过程中，掺杂氮元素以Ti—N化学键的形式进入到Ti02晶格中；该N掺杂TiＯ2光催化剂样品的粒径为10-30nm，比表面积为30～70m^2／g，掺氮量约3％，能吸收波长400nm以上的可见光；样品在波长主峰420nm的荧光灯激发下，反应3h后对2，4一二氯苯酚的光催化降解率超过40％。     

Fe-S共掺杂锐钛矿相TiO2的第一性原理研究

利用基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势方法对未掺杂、Fe和S单掺杂及Fe-S共掺杂锐钛矿相TiO2的电子结构进行计算,分析Fe、S单掺杂及Fe-S共掺杂对锐钛矿相TiO2的晶体结构、能带、态密度和光吸收性质的影响。结果表明,掺杂后TiO2的晶格发生畸变,原子间键长的变化使晶格发生膨胀;掺杂后TiO2的禁带宽度减小,并在禁带中引入杂质能级,导致TiO2的吸收带边红移;与Fe和S单掺杂相比,Fe-S共掺杂锐钛矿相TiO2的吸收带边红移程度更大。     

Sr-F共掺杂对AgSnO_2电性能影响的仿真分析

采用第一性原理下的密度泛函理论,通过Materials Studio中的CASTEP模块计算Sr-F共掺杂SnO_2能带结构、态密度、差分电荷密度及电荷布居数,以研究共掺杂对改善AgSnO_2导电性能的影响。结果表明,共掺杂后的材料仍为直接带隙半导体材料;Sr的3d态与F的2p态共同作用于费米能级附近的价带部分,同时F的2p态作用于导带;使得价带顶穿过费米能级,导带底向费米能级处靠近,即禁带宽度减小,载流子由价带激发到导带所需的能量减小,使SnO_2的导电性能得到提高。     

非金属对锐钛矿相TiO_2电子结构和光学性质掺杂效应的第一性原理计算（英文）

采用基于密度泛函理论超软赝势平面波方法的第一性原理计算了纯锐钛相Ti O2和非金属(B,C,N,F,P,S,Cl)掺杂体系的晶体结构、电子结构和光学性质。计算结果表明,非金属掺杂后由于晶格常数、键长、原子电荷分布的变化导致Ti O2的八面体偶极矩增大,这对光生电子-空穴对的分离是十分有利的。由掺杂物的p电子态与O的2p电子态、Ti的3d电子杂化而形成的杂质能级的存在使大多数掺杂体系的带隙减小,从而使Ti O2的基本吸收带边红移到可见光区。根据理论结果,系统分析和比较了非金属对锐钛矿相Ti O2电子结构和光学性质的掺杂效应,同时非金属掺杂对Ti O2光催化材料在可见光激发下的作用也得到了分析。计算结果解释了部分非金属掺杂可以使锐钛矿相Ti O2在可见光激发下具有较高光催化活性的原因。     

N-Al共掺杂TiO_2电子结构及光学性质的理论研究

应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N和Al单掺杂和共掺杂锐钛矿相TiO2的电子结构、能带结构、态密度及光学性质。结果表明,掺杂后TiO2的晶格常数、原子间的键长、晶胞体积都发生了不同程度的变化;单掺杂和共掺杂均使得禁带宽度减小,而且位于价带和导带之间的杂质能级能够捕获由价带跃迁至导带的电子,减少光生载流子的复合率,提高TiO2的光催化性能;与单掺杂相比,共掺杂能级分裂较明显,吸收光谱红移幅度更大。     

S与金属共掺杂TiO2催化剂的制备及其光催化性能

采用溶胶-凝胶法制备S、Mo、Pt、Fe掺杂以及S/Mo、S/Fe、S/Ag共掺杂的TiO2粉末,利用XRD、XPS和UV-Vis等技术对样品进行表征;以1-萘酚-5-硫酸(L-酸)为目标物,考查紫外和可见光源下各催化剂的光催化活性.结果表明:除S/Ag-TiO2外,其余掺杂TiO2均为单一的锐钛矿相,掺杂后催化剂的吸收带边发生明显红移;对10 mg/L的L-酸进行降解,在可见光下,S-TiO2光催化活性较好,而在紫外光下,S/Ag-TiO2的光催化活性较好;经XPS分析发现,掺杂元素掺入到TiO2晶体内,使Ti2p结合能减小.S的掺杂不仅使S-TiO2样品的光催化活性增大,同时也提高了金属与S共掺杂样品的光催化活性.     

N掺杂TiO2薄膜光催化性能的研究

采用溶胶-凝胶法,以Ti(OC4H9)4和氨水等为原料制备纯二氧化钛、N掺杂以及N,Zn2+共掺杂的二氧化钛光催化薄膜.用X射线衍射和X光电子能谱等对薄膜进行了表征,紫外光和可见光下催化剂降解甲基橙溶液的实验结果表明,掺杂TiO2薄膜比无掺杂TiO2薄膜的光催化效率明显提高,并且可见光下对甲基橙溶液有一定的光催化活性,但Zn2+的存在对掺杂薄膜的光催化效率没有显著改善.分析原因可能是N掺杂在价带和导带之间形成了缺陷能级,减小了TiO2的禁带能隙,从而使TiO2的吸收带发生红移,实现可见光响应.