Mo-X(B, C, N, O, F)共掺杂TiO2体系的光催化协同效应研究

采用密度泛函理论平面波超软赝势方法, 计算并分析了Mo/X(B, C, N, O, F)共掺杂TiO₂体系的形成能、电子结构和光学性质, 研究了共掺杂协同效应对于计算体系光催化性能的影响机制. 首先计算出不同掺杂体系的态密度及能带结构, 利用能带理论分析了共掺杂效应对于禁带宽度的调控作用, 进而分析了共掺杂对TiO₂光催化能力和稳定性的协同作用. 结合电荷密度图, 分析原子间的电荷转移情况, 得到计算体系中各原子成键状态. 最后, 结合光吸收谱线分析得出Mo/C共掺杂类型在调制TiO₂体系中可见光波段的光催化性能上优势明显, 在催化作用上表现出协同效应. 本文的理论研究对共掺杂方法在TiO₂光催化领域有着一定的指导意义.     

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.     

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.     

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．     

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.     

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.     

氮铁共掺锐钛矿相TiO2电子结构和光学性质的第一性原理研究

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N,Fe共掺杂TiO₂的晶体结构、电子结构和光学性质.研究表明,N,Fe共掺杂TiO₂的晶格体积、原子间的键长及原子的电荷量发生变化,导致晶体中产生八面体偶极矩,并因此光生电子-空穴对有效分离,提高TiO₂的光催化活性;N,Fe共掺杂同时在导带底和价带顶形成了杂质能级,使TiO₂的禁带宽度变窄,光吸收带边红移到可见光区,这些杂质能级可以降低光生载流子的复合概率,提高Ti     

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.     

氮气退火对二氧化钛薄膜光学性能的影响

 提出了一种利用离子注入和后续退火制备氮掺杂TiO₂薄膜的方法。首先在室温下向石英玻璃中注入Ti离子,随后在氮气中退火到900 ℃,从而制备了氮掺杂的玻璃基TiO₂薄膜。SRIM2006程序模拟和卢瑟福背散射谱（RBS）研究表明注入离子从样品表面开始呈高斯分布,实验结果和模拟结果吻合很好。X射线光电子能谱（XPS）研究结果表明注入态样品中形成了金属Ti和TiO₂,900 ℃退火后金属Ti转变成TiO₂,同时N原子替代少量的晶格O原子形成了O－Ti－N化合物。紫外-可见吸收光谱（UV-Vis）结果显示,当退火温度至500 ℃时,在吸收光谱中开始出现TiO₂的吸收边,随退火温度升高到900 ℃,由于O－Ti－N化合物形成,TiO₂的吸收边从3.98 eV红移到3.30 eV,TiO₂吸收边末端延伸到可见光区,在可见光区的吸收强度明显增加。     

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     

Enhanced ferromagnetic properties of Fe+N codoped TiO2 anatase

The undoped, Fe-doped, N-doped and Fe+N codoped titanium dioxide (TiO₂) samples were synthesized. Detailed analysis shows that all the samples are pure anatase with the shape of a nanorod, and N and Fe ions are incorporated into the TiO₂ lattice. For all the samples, the saturation magnetization at room temperature is in the order of the Fe+N codoped TiO₂>N-doped TiO₂>Fe-doped TiO₂>undoped TiO₂. Upon N doping, enhanced ferromagnetic properties were observed. The N content in Fe+N codoped TiO₂ is about two times as large as that in the N-doped TiO₂, which may account for the largest saturation magnetization observed in Fe+N codoped TiO₂. It is suggested that metal ion and N codoping may provide a new approach for increasing the saturation magnetization in TiO₂-based dilute magnetic semiconductors.     

A first-principles calculation on the electronic properties of Si/N-codoped TiO2

To deeply understand the effects of Si/N-codoping on the electronic structures of TiO₂ and confirm their photocatalytic performance, a comparison theoretical study of their energetic and electronic properties was carried out involving single N-doping, single Si-doping and three models of Si/N-codoping based on first-principles. As for N-doped TiO₂, an isolated N 2p state locates above the top of valence band and mixes with O 2p states, resulting in band gap narrowing. However, the unoccupied N 2p state acts as electrons traps to promote the electron-hole recombination. Using Si-doping, the band gap has a decrease of 0.24 eV and the valence band broadens about 0.30 eV. These two factors cause a better performance of photocatalyst. The special Si/N-codoped TiO₂ model with one O atom replaced by a N atom and its adjacent Ti atom replaced by a Si atom, has the smallest defect formation energy in three codoping models, suggesting the model is the most energetic favorable. The calculated energy results also indicate that the Si incorporation increases the N concentration in Si/N-codoped TiO₂. This model obtains the most narrowed band gap of 1.63 eV in comparison with the other two models. The dopant states hybridize with O 2p states, leading to the valence band broadening and then improving the mobility of photo-generated hole; the N 2p states are occupied simultaneously. The significantly narrowed band gap and the absence of recombination center can give a reasonable explanation for the high photocatalytic activity under visible light.     

Electronic structure and enhanced visible‐light absorption of N,B‐codoped TiO2

We present GGA+U calculations to investigate the electronic structure and visible‐light absorption of N,B‐codoped anatase TiO₂. The N_sB_i (substitutional N, interstitial B) codoped TiO₂ produces significant Ti 3d and N 2p mid‐gap states when the distance of N and B atoms is far, whereas the N_iB_i (interstitial N and B) and N_sB_s (substitutional N and B) codoped TiO₂ prefer to form localized p states at 0.3–1.2 eV above the valence band maximum. Further, the optical band edges of the three codoped systems shift slightly to the visible region, but only the far‐distance N_sB_i codoped TiO₂ clearly shows an optical transition. These results indicate that N_sB_i codoped TiO₂ has a dominant contribution to the optical absorption of N,B‐codoped TiO₂. (© 2012 WILEY‐VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim)     

A strategy of enhancing the photoactivity of TiO2 containing nonmetal and transition metal dopants

An effective structural codoping approach is proposed to modify the photoelectrochemical （PEC） properties of anatase TiO2 by being doped with nonmetal （N or/and C） and transition metal （Re） elements. The electronic structures and for- mation energies of different doped systems are investigated using spin-polarized density functional theory. We find that （C, Re） doped TiO2, with a low formation energy and a large binding energy, reduces the band gap to a large extent, thus it could contribute to the significant enhancement of the photocatalytic activity in the visible-light region. It should be pointed out that, to be successful, the proper proportion of the dopants C and Re should be controlled, so that reasonable PEC properties can be achieved.