锐钛矿相和金红石相TiO2:Nb的光电性能研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理计算了锐钛矿相和金红石相TiO₂:Nb的晶体结构、电子结构和光学性质. 结果表明, 在相等的摩尔掺杂浓度下(6.25%), 锐钛矿相TiO₂:Nb的导带底电子有效质量小于金红石相TiO₂:Nb, 且前者室温载流子浓度是后者的两倍左右, 即具有更大的施主杂质电离率, 从而解释了锐钛矿相TiO₂:Nb比金红石相TiO₂:Nb具有更优异电学性能的实验现象. 光学计算也表明锐钛矿相在可见光区有更大的透过率, 从而在理论上解释了锐钛矿相TiO₂:Nb比金红石相TiO₂:Nb更适于做透明导电材料的原因. 计算结果与实验数据能较好符合. 关键词： 2:Nb')" href="#">TiO₂:Nb 第一性原理 电子结构 光学性能     

稀土掺杂金红石相TiO2的第一性原理的定性计算

稀土掺杂金红石相TiO2的禁带宽度(带隙)是影响其吸收波长的主要因素,其决定TiO2的光催化活性.利用第一性原理密度泛函理论(Ab initio DFT)得出17种稀土掺杂金红石相TiO2的能态密度(DOS),结果表明:除Lu、Y、Yb和Sc四种稀土增大金红石相TiO2带隙外,其余13种稀土均很大程度地降低金红石相TiO2的带隙.因此,稀土掺杂金红石相TiO2具有广阔的研究前景.     

金属离子掺杂对TiO2/白云母纳米复合材料中TiO2的颗粒形态及相组成的影响

采用化学液相沉积法制备了系列未掺杂和掺杂不同金属离子的TiO2白云母纳米复合材料.利用扫描电子显微镜(SEM),x射线衍射(XRD)对其TiO2薄膜的TiO2颗粒形态和相组成进行了详细研究.结果表明,TiO2颗粒在15—50nm之间;除球形颗粒外,掺杂Mn2+,Zn2+的样品中还出现有金红石柱状颗粒.TiO2薄膜中相组成以锐钛矿、金红石共存为特征;掺杂金属离子对TiO2相组成的影响取决于金属离子的离子半径、电荷及配位体特征. 关键词： 金属离子掺杂 TiO2 颗粒形态 相组成     

La-N共掺杂锐钛矿相TiO2的电子结构及光学性质的第一性原理研究

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锐钛矿相TiO2、La单掺杂及La-N共掺杂锐钛矿相TiO2的电子结构进行计算,分析La单掺杂及La-N共掺杂对锐钛矿相TiO2的晶体结构、能带、态密度、差分电荷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的吸收图谱产生红移现象;与La单掺杂相比,La-N共掺杂锐钛矿相TiO2的红移程度增强.     

Co,N共掺杂锐钛矿相TiO2电子结构和光学性质的第一性原理研究

二氧化钛(TiO2)作为一种性能优良的光催化剂已经被广泛地研究和使用. 本研究中利用了第一性原理和GGA+U方法, 对锐钛矿结构TiO2晶体三种可能的(Co,N)共掺杂体系的几何结构、形成能、电子结构和光吸收系数进行了研究, 并与单掺杂(Co/N)体系进行了对比. 结果表明, 在三种共掺杂TiO2中, Co与N相邻时晶格畸变最小, 但掺杂原子周围晶格畸变较大;同时, 较低的形成能表明此种共掺杂结构最容易形成;此外, 因为Co与N成键, 其杂质能级的数目与能量较其他共掺杂结构有较大差异. (Co,N)共掺杂体系与未掺杂TiO2的相比, 其禁带宽度较小, 禁带中存在杂质能级, 因此其吸收边红移, 在可见光波段有较好的光吸收能力. 故(Co,N)共掺杂可以很好地提升锐钛矿型TiO2在可见光波段的光催化性能.     

N,Co共掺杂锐钛矿相YiO2光催化剂的第一性原理研究

采用第一性原理平面波超软赝势方法研究了N,Co共掺杂锐钛矿相TiO2的微观结构和光学性质.结果表明:N,Co共掺杂后TiO2晶格中产生的偶极矩使光生电子-空穴对更有效地分离;在TiO2导带和价带之间形成了新的杂质能级,一方面使吸收带边红移到可见光区,光吸收性能明显增强,另一方面有利于光生电子-空穴对的分离,提高TiO2的光量子效率;与纯TiO2相比,N,Co共掺杂锐钛矿相TiO2带边的氧化还原势只有微小的变化,共掺杂后TiO2的强氧化还原能力得以保持.     

S掺杂对锐钛矿相TiO2电子结构与光催化性能的影响

采用基于第一性原理的平面波超软赝势方法研究了掺杂不同价态S的锐钛矿相TiO2的晶体结构、杂质形成能、电子结构及光学性质.计算结果表明硫在掺杂体系中的存在形态与实验中的制备条件有关;掺杂后晶格发生畸变、原子间的键长及原子的电荷量也发生了变化,导致晶体中的八面体偶极矩增大;S 3p态与O 2p态、Ti 3d态杂化而使导带位置下移、价带位置上移及价带宽化,从而导致TiO2的禁带宽度变窄、光吸收曲线红移到可见光区.这些结果很好地解释了S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.根据计算结果分析比较了硫以不同离子价态掺杂对锐钛矿相TiO2电子结构和光催化性能影响的差别.     

C掺杂金红石相TiO2的电子结构和光学性质的第一性原理研究

运用第一性原理的局域密度近似+U(0 ≤U≤9 eV)方法研究了本征金红石相TiO₂在不同U值(对Ti-3d电子)下的禁带宽度、晶体结构以及不同比例C元素掺杂的金红石相TiO₂的电子结构和光学性质, 研究表明, TiO₂的禁带宽度和晶格常数随着U值的增加而增大. 综合考虑取U=3 eV并对其计算结果进行修正. 对于掺杂体系, 发现C 元素的掺杂在金红石相TiO₂中引入杂质能级, 杂质能级主要由O-2p轨道和C-2p轨道耦合形成, 杂质能级的引入可以增加TiO₂对可见光的响应, 从而使TiO₂的吸收范围增大. C原子掺杂最佳比例为8.3%, 此时光学吸收边的红移程度最明显, 可增大光吸收效率, 从而提高了TiO₂光催化效率.     

钪与氧空位共掺杂锐钛矿相TiO2的形成能与电子结构的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理研究了钪(Sc)、氧空位(O_V)单/共掺杂锐钛矿相TiO₂,对晶体结构、形成能以及电子结构进行了对比分析.研究结果表明,Sc-TiO₂在富氧环境下缺陷形成能为负值,富钛环境下缺陷形成能为正值,表明Sc-TiO₂只能在富氧环境下制备;O_V-TiO₂、Sc-O_V-TiO₂在富氧或富钛环境下缺陷形成能均为负值,但富氧环境下形成能更低;O_V-TiO₂的0/1-缺陷电荷转变能级为深能级,而Sc-TiO₂的0/1-缺陷电荷转变能级则属于相对较浅能级;与纯锐钛矿相TiO₂相比,Sc-TiO₂的禁带宽度略有减小,但O_V-TiO₂、Sc-O_V-TiO₂禁带宽度变宽.     

Si掺杂锐钛矿TiO2的第一性原理研究

为了研究Si掺杂对锐钛矿TiO2的电子蛄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TiO2及Si掺杂TiO2的杂质形成能、能带结构及态密度.研究蛄果表明,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TiO2中Ti的位置.几何优化后Si掺杂TiO2超晶胞的晶格参数和晶胞体积都发生一定...     

Pr高掺杂浓度对锐钛矿TiO_2的带隙和吸收光谱影响的研究

目前,Pr掺杂对锐钛矿TiO2带隙和吸收光谱研究结果存在相反的结论,红移和蓝移两种实验结果都有文献报道.为解决这个矛盾,本文基于密度泛函理论框架下的第一性原理平面波超软赝势方法,对纯的和不同浓度Pr高掺杂锐钛矿TiO2的电子结构和吸收光谱进行了计算.计算结果表明,与纯锐钛矿TiO2相比较,Pr掺杂后,掺杂量越增加,掺杂体系各原子电荷量越减小,掺杂体系总能量越高,形成能越大,稳定性越下降,带隙越窄,吸收光谱红移现象越显著,吸收强度越强.计算结果与实验结果相一致.     

(Cu,N)共掺杂TiO2/MoS2异质结的电子和光学性能:杂化泛函HSE06

在密度泛函理论的基础上,系统地研究了Cu/N（共）掺杂的TiO₂/MoS₂异质结体系的几何结构、电子结构和光学性质.计算发现,TiO₂/MoS₂异质结的带隙相比于纯的TiO₂（101）表面明显变小,Cu/N（共）掺杂TiO₂/MoS₂异质结体系的禁带宽度也明显地减小,这导致光子激发能量的降低和光吸收能力的提高.通过计算Cu/N（共）掺杂TiO₂/MoS₂的差分电荷密度,发现光生电子与空穴积累在掺杂后的TiO₂（101）表面和单层MoS₂之间,这表明掺杂杂质体系可以有效地抑制光生电子-空穴对的复合.此外,我们计算了在不同压力下TiO₂/MoS₂异质结的几何、电子和光学性质,发现适当增加压力可以有效提高异质结的光吸收性能.本文结果表明,Cu/N（共）掺杂TiO₂/MoS₂异质结和对TiO₂/MoS₂异质结加压都能有效地提高材料的光学性能.     

Influence of silver doping on the photocatalytic activity of titania films

By means of X-ray diffraction, BET nitrogen adsorption, UV-Vis-NIR transmission spectroscopy, transmission electron microscope, scanning electron microscope, X-ray photoelectron spectroscopy and photodegradation of methylene blue, effects of Ag doping on the microstructure and photocatalytic activity of TiO₂ films prepared by sol–gel method were studied. It is found that with a suitable amount (2–4 mol%), the Ag dopant increases the photocatalytic activity of TiO₂ films. The mechanism can be attributed to that (1) anatase grain sizes decrease with Ag doping and the specific surface areas of doped TiO₂ films increase, the charge transfer in TiO₂ films is promoted; (2) by enhancing the electron–hole pairs separation and inhibiting their recombination, the Ag dopant enhances the charge pair separation efficiency for doped TiO₂ films.     

重氧空位对金红石型和锐钛矿型TiO2导电性能影响的模拟计算

基于密度泛函理论框架下的第一性原理平面波超软赝势方法,构建了未掺杂与相同重氧空位金红石型和锐钛矿型TiO_1.9375超胞模型,分别对模型进行了几何结构优化、能带结构分布和态密度分布的计算. 结果表明,氧空位后金红石型和锐钛矿型TiO₂体系体积均变大,同时,锐钛矿型TiO_1.9375超胞的稳定性、迁移率以及电导率均高于金红石型TiO_1.9375超胞. 计算结果和实验结果相一致. 关键词： 重氧空位 2')" href="#">金红石型和锐钛矿型TiO₂ 导电性能 第一性原理     

N/Cu共掺杂锐钛矿型TiO2第一性原理研究

基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势法, 采用局域自旋密度近似加Hubbard U值方法研究了纯锐钛矿型TiO₂, N, Cu单掺杂TiO₂及N/Cu共掺杂TiO₂ 的晶体结构、电子结构和光学性质. 研究结果表明, 掺杂后晶格发生相应畸变, 晶格常数变大. N 和Cu的掺杂在TiO₂禁带中引入杂质能级, 禁带宽度发生相应改变. 对于N掺杂TiO₂禁带宽度减小较弱, 而Cu掺杂和N/Cu共掺TiO₂禁带宽度显著降低, 导致吸收光谱明显红移, 光学催化性增强, 有利于实际应用.     

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.     

TiO$lt;sub$gt;2$lt;/sub$gt;纳米管电子结构和光学性质的第一性原理研究

运用基于密度泛函理论的第一性原理方法, 系统研究了小尺寸锐钛矿相(n,0)型TiO₂纳米管(D<16 Å)的几何构型、电子结构和光学性质. 结果表明: 随着管径增大, 体系单位TiO₂分子的形成能降低, 体系趋于稳定; 在管径14 Å左右, (n,0)型TiO₂纳米管会发生一次构型的转变. 能带分析显示, TiO₂纳米管的电子态比较局域化, 小管径下(D<14 Å)其导电性更好; 随着构型的转变, TiO₂纳米管由直接带隙转变为间接带隙, 并且带隙值随着管径的增大而增大, 这是由于π轨道重叠效应的影响大于量子限域效应所导致的结果. 两种效应的竞争, 使得TiO₂纳米管的介电函数虚部ε₂ (ω)谱的峰值位置随管径增大既可能红移也可能蓝移, 管径大于9 Å (即(8, 0)管)之后, TiO₂纳米管的光吸收会出现明显的增强. 关键词： 2纳米管')" href="#">TiO₂纳米管 第一性原理 电子结构 光学性质     

I掺杂金红石TiO$lt;sub$gt;2$lt;/sub$gt;(110)面的第一性原理研究

利用基于密度泛函理论的第一性原理研究了I掺杂金红石TiO₂（110）表面的形成能和电子结构,分析了不同掺杂位置的结构对TiO₂光催化性能的影响. 计算表明,氧化环境下I最容易替代掺杂表面五配位的Ti,而还原环境下最容易替代掺杂表面的桥位氧. I替位Ti或I替位O都能降低禁带宽度,可能使TiO₂吸收带出现红移现象或产生在可见光区的吸收,其中I替位桥位氧的禁带宽度最小. 吸收光谱表明,I掺杂不仅能提高TiO₂可见光响应,同时可增加紫外光的吸收能量,提高其可见光及紫外光下的光催化性能. 关键词： 第一性原理 I掺杂 2(110)')" href="#">金红石相TiO₂(110) 光催化     

Cu/N表面沉积共掺杂TiO_2光催化剂作用机理的理论研究

本文采用基于周期性密度泛函理论研究了Cu/N表面沉积共掺杂对锐钛矿相TiO2(001)面的修饰作用.计算了Cu在不同位置掺杂TiO2(101)面和(001)面的形成能,并在此基础上计算N不同位置掺杂TiO2(001)面及Cu/TiO2(001)面的形成能,通过形成能的比较获得了表面共掺杂的最优化结构.在此基础上计算了最稳定结构的能带结构及态密度,并与S单掺杂TiO2(001)面最稳定结构进行了对比.通过对结果的分析发现:Cu/N在(001)表面的沉积共掺杂有效降低了TiO2的禁带宽度,并在表面形成CuO2相,更利于提高其光催化活性.     

Ce和O空位共掺杂TiO_2的电子结构与光学性质

采用基于密度泛函理论加U的计算方法,研究了Ce和O空位单(共)掺杂锐钛矿相TiO_2的电子结构和光吸收性质.计算结果表明,Ce和O空位共掺杂TiO_2的带隙中出现了杂质能级,且带隙窄化为2.67 eV,明显比纯TiO_2和Ce,O空位单掺杂TiO_2的要小,因而可提高TiO_2对可见光的响应能力,使TiO_2的光吸收范围增加.光吸收谱显示,掺杂后TiO_2的光吸收边发生了显著红移;在400.0—677.1 nm的可见光区,共掺杂体系的光吸收强度显著高于纯TiO_2和Ce单掺杂TiO_2,而略低于O空位单掺杂TiO_2.此外,Ce掺杂TiO_2中引入O空位后,TiO_2的导带边从-0.27 eV变化为-0.32 eV,这表明TiO_2的导带边的还原能力得到了加强.计算结果为Ce和O空位共掺杂TiO_2在可见光光解水方面的进一步研究提供了有力的理论依据.