C掺杂锐钛矿相TiO2吸收光谱的第一性原理研究

运用第一性原理,对C掺杂锐钛矿相TiO₂的电子结构进行了研究,从能带结构理论解释了C掺杂TiO₂吸收光谱的一些实验现象.发现在C掺杂后的锐钛矿相TiO₂的禁带宽度增大,并且在带隙中出现了杂质能级,这些杂质能级主要是由C 2p轨道上的电子构成的,它们之间是独立的,正是这些独立的杂质能级使TiO₂掺杂后可以发生可见光响应.价带上的电子可以吸收一定能量的光子跃迁到杂质能级,而杂质能级上的电子也可以吸收一定能量的光子跃迁到导带,所以从理论上可以计算出掺杂后的TiO₂在可见光范围内存在两个吸收边,与实验中所得到的现象相一致.     

碳-锌共掺杂锐钛矿相TiO2 电子结构与光学性质的第一性原理研究

近年来的理论和实验研究表明,通过不同离子共掺杂TiO₂是减小其禁带宽度的一种有效方法.本文采用基于第一性原理的平面波超软赝势方法研究了C和Zn共掺杂TiO₂的能带结构、态密度和光学性质.计算结果表明C-Zn共掺杂导致导带相对Fermi能级发生了明显的下降,同时在TiO₂的导带下方与价带上方形成了新的杂质能级,使TiO₂的禁带宽度变小, TiO₂的光学吸收带边产生红移. 杂质能级可以降低光激发产生的电子-空穴对的复合概率, 提高TiO₂的光催化效率. 此外, 掺杂后TiO₂在可见光区的吸收系数有明显增加, 能量损失也明显减小.     

Eu掺杂量对锐钛矿相TiO2电子寿命和吸收光谱影响的第一性原理研究

采用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,建立了不同Eu掺杂量的锐钛矿相TiO₂超胞模型,计算了其态密度、差分电荷密度、能带结构和吸收光谱.结果发现:掺杂后Eu在TiO₂的禁带中产生杂质能级.通过对比两种不同Eu掺杂量(1.39at%和2.08at%)下的锐钛矿TiO₂的能带结构,发现掺杂量越高,杂质能级越向深能级方向移动,说明电子复合率随杂质浓度增加而增加,即电子寿命变小,同时吸收光谱红移越显著,强度越强.根据实际需要,可在锐钛矿TiO₂中适量掺杂Eu,在适当减少电子寿命情况下,使吸收光谱红移.     

金属和非金属共掺杂锐钛矿相TiO2的第一性原理计算

本文运用第一性原理的计算方法, 以C/TM和N/TM共掺杂(碳与过渡金属共掺杂和氮与过渡金属共掺杂)TiO₂为例, 分别计算了它们共掺杂TiO₂的束缚能、能带结构和态密度等, 通过对双掺杂结构的束缚能计算, 发现非金属和金属杂质有团聚成键的趋势, 其正的束缚能说明了掺杂原子与周围的原子成键, 因成键作用减少的体系能量高于因几何畸变带来的应力能. 在对N/V和C/Cr共掺杂能带结构和分子成键的详细分析中, 发现非金属和金属共掺杂TiO₂, 要使掺杂后TiO₂的光吸收边红移较大, 光催化性能较好, 就要符合金属和非金属共掺杂协同机制, 即 掺杂后在导带底下方和价带顶上方分别出现由金属3d和非金属2p态提供的杂质能级.     

过渡金属(Fe,Co,Ni,Zn)掺杂金红石TiO2的电子结构和光学性质

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法对未掺杂以及不同浓度过渡金属Fe,Co,Ni,Zn掺杂金红石TiO₂的超晶胞体系进行了几何优化,并讨论了其晶格常数,电子能带结构和光学性质.研究结果表明:掺杂前后的晶格参数与实验值偏差在3.6%以下;适量的过渡金属掺杂不但影响体系能带结构,拓宽光吸收范围,而且扮演着俘获电子的重要角色,有利于光生电子-空穴对的有效分离以及增强光吸收能力;Fe,Co,Ni,Zn最佳理论掺杂体系分别为Ti_0.75Fe_0.25O₂,Ti_0.75Co_0.25O₂,Ti_0.75Ni_0.25O₂,Ti_0.83Zn_0.17O₂;Fe,Co,Ni3d态分裂为t_2g和e_g态,分别贡献于价带高能级和导带低能级部分,促进了电子-空穴对的生成,从而可提高TiO₂的光催化性能;Zn3d态电子成对填满轨道,不易被激发,故光催化活性无明显提高.     

氧空位对共掺型锐钛矿TiO2能带结构的影响

基于电子密度泛函理论计算,系统研究了氧空位对V-C(p型)、Cr-N(n型)、V-N和Cr-C(电中性)四种共掺型锐钛矿TiO₂的几何和电子结构的影响．结果表明在最稳定构型中氧空位处在与金属杂质原子相连的位置．由于氧空位的出现,共掺TiO₂禁带中一些未占据的杂质态被填充满电子,掺杂体系的导带带边位置几乎不变,这有利于减少光生载流子复合,且不影响光解水过程中的产氢反应,在厌氧条件下很容易在V-N共掺TiO₂中引入氧空位．     

3d过渡金属掺杂锐钛矿相TiO2的第一性原理研究

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TiO₂及掺杂3d过渡金属TiO₂的几何、电子结构及光学性质. 计算结果表明掺杂能级的形成主要是掺杂过渡金属3d轨道的贡献，掺杂能级在禁带中的位置是决定TiO₂吸收带边能否出现红移的重要因素. Cr，Mn，Fe，Ni，Co，Cu掺杂使TiO₂的吸收带边产生红移，并在可见光区有一定的吸收系数； Sc，Zn掺杂使TiO₂的吸收带边产生蓝移，但在可见光区有较大的吸收系数；掺V不但使TiO₂的吸收带边产生红移，增强了在紫外光区的光吸收，而且在可见光区有非常大的吸收系数.     

Sm-N共掺杂对锐钛矿相TiO2的电子结构和吸收光谱影响的第一性原理研究

采用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, 建立了N, Sm分别单掺杂以及Sm-N共掺杂的锐钛矿TiO₂超胞模型, 对其态密度、能带结构和吸收光谱进行了计算. 结果表明: N单掺杂的锐钛矿TiO₂的红移效果最强, 但Sm-N共掺杂锐钛矿TiO₂的载流子寿命更长, 且共掺杂形成的体系更加稳定.     

Photocatalytic Activity of N-doped TiO2 Photocatalysts Prepared from the Molecular Precursor (NH4)2TiO(C2O4)2

用不同温度控制分解草酸氧钛铵制备N掺杂TiO₂光催化剂．利用XRD、IR、热分析、N₂吸-脱附等温线、XPS、紫外可见漫反射光谱和SEM表征了N-TiO₂光催化剂的结构．400～600 oC焙烧的N-TiO₂光催化剂为纯锐钛矿相,而700 oC焙烧的N-TiO₂光催化剂为锐钛矿和金红石混合相．N掺杂在TiO₂的间隙位使锐钛矿相TiO₂带隙变窄．在光降解甲基橙的反应中,600和400 oC焙烧的N-TiO₂催化剂分别在紫外光和全波长光照射下有最好活性;700 oC焙烧的N-TiO₂催化剂无论在紫外光和全波长光下都表现出最好的比活性,即最高的光量子效率,这可以归因于700 oC焙烧的N-TiO₂光催化剂良好的结晶程度和锐钛矿-金红石异相结的存在．     

过渡金属Fe或Ag掺杂K2Ti6O13的电子结构和光学性质

本文利用基于密度泛函理论（DFT）的第一性原理计算研究了它们的电子结构和光学性质.光学性质的计算结果和实验相一致.结果表明,Fe或Ag掺杂后,K₂Ti₆O₁₃的带隙中出现了杂质带且其带隙值变小,因而使掺杂后的K₂Ti₆O₁₃的吸收边发生红移并实现了其对可见光吸收.其中杂质带主要由Fe 3d态或Ag 4d态与Ti 3d态和O 2p态杂化而成.对于Fe掺杂的K₂Ti₆O₁₃,杂质带位于带隙中间,因此可以作为电子从价带跃迁到导带的桥梁.对于Ag掺杂的K₂Ti₆O₁₃,杂质带位于价带顶附近为受主能级,可以降低光生载流子的复合概率.实验和计算研究表明,通过Fe或Ag的掺杂可以实现了K₂Ti₆O₁₃对可见光的吸收,这对进一步研究K₂Ti₆O₁₃的光学性质具有重要意义.     

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.     

Mn,N共掺杂对锐钛矿相TiO2微观结构和性能的影响

采用第一性原理平面波超软赝势方法,系统研究了Mn,N共掺杂对锐钛矿相TiO₂的晶体结构、缺陷形成能、电子结构、光学性质以及氧化还原能力的影响.研究表明:Mn,N共掺杂锐钛矿相TiO₂后,TiO₂晶格发生了畸变,导致晶体八面体偶极矩增加,有利于光生电子-空穴对的有效分离;在TiO₂带隙中出现了杂质能级,使锐钛矿相TiO₂的光学吸收带边红移,可见光区的吸收系数明显增大,有利于光催化效率的提高;在不考虑 关键词： 2')" href="#">锐钛矿相TiO₂ 第一性原理 Mn和N共掺杂 光催化性能     

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. 关键词： 2')" href="#">锐钛矿相TiO₂ S掺杂 第一性原理 光催化性能     

Effects of native defects on the electronic structure and photocatalytic activity in anatase TiO2 by first principles calculations

The crystal structure, electronic structure, optical properties and photocatalytic activity of the native defects in anatase TiO₂ were investigated based on the density-functional theory (DFT). The results show that oxygen vacancies (V_O) have the lowest formation energy, and thus are easiest to form in the bulk structure. The conduction and valence band moves to the high or low energy region, and the energy gap becomes narrower for the native point defect models. In particular, oxygen interstitials (O_i) have a direct band gap, and new gap states appear in the band gap, which can be responsible for the high photocatalytic efficiency in anatase TiO₂. The phenomenon of “impurity compensation” takes place for the oxygen and titanium interstitials. Ti vacancy (V_Ti) can promote the utilization of solar light by analyzing the absorption spectra. All the calculated results show that O_i and V_Ti are beneficial in improving the photocatalytic activity of TiO₂ in the UV–visible light range.     

First principle study on the electronic structure of fluorine-doped SnO2

The electronic properties of fluorine-doped SnO₂ films were calculated using the plane-wave-based pseudopotential method based on the density functional theory within the local density approximation. The calculated band structure and density of states show that the band gap of SnO₂ narrows due to the presence of the F impurity energy levels in the bottom of the conduction band. The energy of the valence electrons is reduced as the optical absorption edge shifts towards a higher frequency. The charge density and effective masses of carriers of fluorine-doped SnO₂ were also calculated.     

DFT study on electronic structure and optical properties of N-doped,S-doped,and N/S co-doped SrTiO3

The electronic structures and optical properties of N-doped, S-doped and N/S co-doped SrTiO₃ have been investigated on the basis of density functional theory (DFT) calculations. Through band structure calculation, the top of the valence band is made up of the O 2p states for the pure SrTiO₃. When N and S atoms were introduced into SrTiO₃ lattice at O site, the electronic structure analysis shows that the doping of N and S atoms could substantially lower the band gap of SrTiO₃ by the presence of an impurity state of N 2p on the upper edge of the valence band and S 2p states hybrid with O 2p states, respectively. When the N/S co-doped, the energy gap has further narrowing compared with only N or S doped SrTiO₃. The calculations of optical properties also indicate a high photo response for visible light for N/S co-doped SrTiO₃. Besides, we find a new impurity state which separates from the O 2p states could improve the photocatalytic efficiency and we also propose a model for light electron-hole transportation which can explain the experiment results well. All these conclusions are in agreement with the recent experimental results.     

N,Fe, La三掺杂锐钛矿型TiO2能带调节的理论与实验研究

采用基于密度泛函理论(DFT)的平面波超软赝势方法(PWPP), 利用Material studio 计算N, Fe, La三种元素掺杂引起的锐钛矿TiO₂晶体结构、能带结构和态密度变化. 并通过溶胶-凝胶法制得锐钛矿型本征TiO₂, N, Fe共掺杂TiO₂和N, Fe, La共掺杂TiO₂; 用X射线衍射和扫描电镜表征结构; 紫外-可见分光光度计检测TiO₂对甲基橙的降解效率变化. 计算结果表明, 由于N, Fe, La三掺杂TiO₂的晶格体积、键长等发生变化, 导致晶体对称性下降, 光生电子-空穴对有效分离, 同时在导带底和价带顶形成杂质能级, TiO₂禁带宽度由1.78 eV变为1.35 eV, 减小25%, 光吸收带边红移, 态密度数增加, 电子跃迁概率提升, 光催化能力增加. 实验结果表明: 离子掺杂使颗粒变小, 粒径大小: 本征TiO₂>N/Fe_TiO₂>N/Fe/La_TiO₂, 并测得N/Fe/La_TiO₂发光峰425 nm, 能隙减小, 光催化能力比N/Fe_TiO₂强, 增强原因是杂质能级和电子态数量增加引起.