Ce-N共掺杂锐钛矿型二氧化钛的理论研究

[目的]研究Ce-N共掺杂对锐钛矿TiO2晶体可见光区催化活性的影响.[方法]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,研究掺杂对锐钛矿TiO2晶体的晶体结构、能带、态密度的改变,推断Ce-N共掺杂对锐钛矿TiO2晶体可见光区催化活性的影响.[结果]Ce-N共掺杂TiO2后,晶体的对称...     

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。     

Ni-N共掺杂锐钛矿型TiO2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TiO2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TiO2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TiO2的晶格参数和晶体结构的影响不人,从能带结构和态密度看,Ni掺杂后TiO2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TiO2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TiO2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TiO2,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TiO2和N掺杂TiO2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TiO2光催化材料进行了比较,得出Ni掺杂和Ni-N共掺杂可以使TiO2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TiO2在可见光区的活性比纯TiO2高1倍的实验事实相符.     

Mn掺杂锐钛矿型TiO_2电子结构的第一性原理研究

[目的]研究Mn掺杂对锐钛矿TiO_2晶体可见光区催化活性的影响。[方法]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,研究掺杂对锐钛矿TiO_2晶体的晶体结构、能带结构、态密度的改变。同时我们也进行了Mn掺杂TiO_2的实验研究,从实验方面对掺杂后TiO_2光吸收性能变化进行研究。[结果]Mn掺杂TiO_2后,晶体的对称性和点群没有改变。通过对比纯TiO_2,Mn掺杂TiO_2的能带和态密度可以得出:Mn掺杂TiO_2后导带发生较大下移,且导带底部主要是Mn-3d的贡献,使禁带宽度变小,从而可见光吸收增强。实验结果也表明Mn掺杂后可见光吸收增强,和理论的红移结果一致。[结论]通过我们的计算和实验,说明Mn掺杂可以改善和提高TiO_2在可见光区的活性,这种材料具有很好的应用前景,值得做进一步的实验研究。