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     

P掺杂锐钛矿相TiO2的第一性原理计算

利用基于密度泛函理论的第一性原理对不同P掺杂形式(P替位Ti, P替位O, 间隙P)的锐钛矿相TiO₂的晶格常数、电荷布居、能带结构、分态密度和吸收光谱进行了计算. 结果表明, P替位Ti时, TiO₂体积减小, P替位O和间隙P的存在使TiO₂的体积膨胀; 替位Ti的P和间隙P均有不同程度的氧化, 而替位O的P带有负电荷. 三种P掺杂形式均导致锐钛矿相TiO₂禁带宽度的增大, 并在TiO₂禁带之内引入了掺杂局域能级. P掺杂导致TiO₂禁带宽度增大的程度依次为: 间隙P>P替位Ti>P替位O. 吸收光谱的计算结果表明, P替位Ti并不能增强TiO₂的可见光吸收能力, 但间隙P的存在大幅提高了TiO₂的可见光光吸收能力, 间隙P有可能是造成实验上P掺杂增强锐钛矿相TiO₂光催化活性的重要原因. 关键词： P掺杂 2')" href="#">锐钛矿相TiO₂ 第一性原理     

La-Ce共掺杂锐钛矿TiO2的缺陷形成能和电子结构分析

采用基于密度泛函的第一性原理研究了稀土元素La、Ce共掺杂锐钛矿相TiO₂的缺陷形成能,缺陷电荷转变能级以及电子结构.研究发现,富氧状态下La、Ce掺杂以及La-Ce共掺的缺陷形成能均为负值,而贫氧状态下La、Ce掺杂形成能为正,表明La、Ce的掺杂TiO₂只能在氧气氛制备条件下进行;替代Ti掺杂缺陷电荷转变能级计算结果表明:0/1-的缺陷电荷转变能级分别位于VBM上面0.522 eV及2.440 eV处;与纯锐钛矿相TiO₂相比,La、Ce单掺杂以及La-Ce共掺杂均能减小TiO₂的禁带宽度,但共掺杂体系的禁带宽度更窄,因此共掺杂体系将更有利于提高TiO₂对可见光的响应能力和光催化性能.     

铁氮共掺杂纳米TiO_2复合膜的制备、光谱分析及光催化活性研究

用溶胶-凝胶法制备铁、氮共掺杂纳米TiO2凝胶,浸渍-提拉法将其镀膜于载玻片表面,经干燥、煅烧,制得Fe-TiO2-xNr复合膜;用XRD,SEM,XPS及UV-Vis对镀膜样品进行了表征.XRD分析表明,Fe-TiO2-xNr膜为锐钛矿结构,少数氮原子替代了TiO2晶格中的氧;SEM照片说明,构成膜的粒子分散均匀,形貌一致,粒径约19 nm:UV-Vis漫反射光谱显示,Fe3+掺杂可使复合膜对可见光的响应红移至740nm处;XPS图谱证明,铁、氮的掺入降低了Ti(2p3/2)电子结合能,从而拓宽了TiO2在可见光区的吸收范围.以光催化降解苏丹红I为模型反应,比较了不同掺杂样品的光催化活性,结果表明,当掺杂的Fe3+相对于Ti4-1的原子比达到0.4%时,复合膜表现出最佳催化性能,4 h后对苏丹红I的降解率达到97%.方法制备的氮和适量铁共掺杂Fe-TiO2-xNr复合膜能协同提高TiO2对可见光的响应能力及光催化活性,在污水处理领域具有潜在的应用价值.     

第一性原理计算A、B位掺杂对NaNbO_3电子结构的影响

钙钛矿结构的NaNbO3具有光催化分解水和降解有机物的性能,但其禁带宽度为3.40eV,因此仅具有紫外光响应.为了实现其可见光响应,本文通过密度泛函理论计算探讨了A位(Ag+)掺杂和B位(Sb5+、V5+)掺杂对NaNbO3的电子结构和光吸收性能的影响.结果表明,掺杂Ag+后,O 2p轨道和Ag 4d轨道杂化进而导致价带位置上移.掺杂Sb5+后,Nb 4d轨道和Sb 5s5p轨道杂化,导致导带位置下移.掺杂V5+后,Nb 4d轨道和V 3d轨道杂化,也导致导带位置下移.基于上述结果,提出了通过A、B位掺杂NaNbO3实现其光吸收红移的机制,本研究对通过掺杂调控NaNbO3光催化材料的光吸收方面有一定的指导意义.     

B掺杂锐钛矿型(101)面的电子结构和光学性质研究

采用平面波超软赝势方法计算了B掺杂锐钛矿型TiO2(101)面的几何结构、缺陷形成能、电子结构和光学性质.分析B掺杂后的几何结构,发现氧化气氛下B易于掺杂间隙1处,还原气氛下易于替位掺杂O3C2.计算了掺杂前后的氧空位VO形成能和替位形成能,得出B掺杂和氧空位相互促进的结论.B掺杂在导带底引入了杂质能级,B的2p态和Ti的3d态发生强烈关联而使带隙变窄,发生红移现象.O空位也使带隙变窄,但未发现红移现象.B掺杂和O空位同时存在则使吸收光谱扩展至整个可见光区.     

B掺杂锐钛矿型(101)面的电子结构和光学性质研究

采用平面波超软赝势方法计算了B掺杂锐钛矿型TiO2(101)面的几何结构、缺陷形成能、电子结构和光学性质.分析B掺杂后的几何结构,发现氧化气氛下B易于掺杂间隙1处,还原气氛下易于替位掺杂O3C2.计算了掺杂前后的氧空位VO形成能和替位形成能,得出B掺杂和氧空位相互促进的结论.B掺杂在导带底引入了杂质能级,B的2p态和Ti的3d态发生强烈关联而使带隙变窄,发生红移现象.O空位也使带隙变窄,但未发现红移现象.B掺杂和O空位同时存在则使吸收光谱扩展至整个可见光区.     

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、C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

采用基于密度泛函理论的平面波超软赝势方法,研究了N和C原子分别单掺杂和双掺杂锐钛矿TiO2的形成能、晶体结构、电子结构和光学性质。计算结果表明：原子替位掺杂后体系晶格发生畸变;C替位掺杂更倾向于替代Ti位,而非O位;替位掺杂使TiO2光吸收带边发生了明显红移,且在可见光区域的吸收效率明显增加,大大提高了光催化效率。与单掺杂比较发现,N、C双掺杂红移现象更加明显,为较好的掺杂改性方式。     

N、C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

采用基于密度泛函理论的平面波超软赝势方法,研究了N和C原子分别单掺杂和双掺杂锐钛矿TiO2的形成能、晶体结构、电子结构和光学性质。计算结果表明：原子替位掺杂后体系晶格发生畸变;C替位掺杂更倾向于替代Ti位,而非O位;替位掺杂使TiO2光吸收带边发生了明显红移,且在可见光区域的吸收效率明显增加,大大提高了光催化效率。与单掺杂比较发现,N、C双掺杂红移现象更加明显,为较好的掺杂改性方式。     

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.     

第一性原理计算A、B位掺杂对NaNbO3电子结构的影响

钙钛矿结构的NaNbO3具有光催化分解水和降解有机物的性能,但其禁带宽度为3.40 eV,因此仅具有紫外光响应。为了实现其可见光响应,本文通过密度泛函理论计算探讨了A位（Ag+）掺杂和B位（Sb5+、V5+）掺杂对NaNbO3的电子结构和光吸收性能的影响。结果表明,掺杂Ag+后,O 2p轨道和Ag 4d轨道杂化进而导致价带位置上移。掺杂Sb5+后,Nb 4d轨道和Sb 5s5p轨道杂化,导致导带位置下移。掺杂V5+后,Nb 4d轨道和V 3d轨道杂化,也导致导带位置下移。基于上述结果,提出了通过A、B位掺杂NaNbO3实现其光吸收红移的机制,本研究对通过掺杂调控NaNbO3光催化材料的光吸收方面有一定的指导意义。     

强磁场对金属离子掺杂CaTiO_3结构和光学性能的影响

研究了800℃条件下不同制备磁场强度(最高12 T)对Ca Ti O3及其浸渍掺杂样品在结构和光学性能方面的影响.研究表明:样品吸光性能随浸渍掺杂的离子浓度的增大而提升,且发生红移现象;相同掺杂浓度下,磁场下制备样品的吸光性能均较非磁场下制备的样品有所提高,但不同磁场强度下所制备样品的吸光曲线彼此差异不大;此外,磁制备纯Ca Ti O3晶体粉末的X-射线衍射曲线峰左移,紫外-可见漫反射光谱吸收截止波长增长,这表明强磁场可使Ca Ti O3晶面间距和晶格常数增大、禁带宽度减小.     

TiO2禁带宽度和光吸收系数对其光催化性能的影响

为了研究TiO₂禁带宽度和光吸收系数对其光催化性能的影响,使用Materials Studio的Dmol3和CASTEP模块分别对Ag⁺、Fe³⁺、Pt⁴⁺、La³⁺ 4种金属离子掺杂TiO₂的能带结构和光学性质进行分析。分子模拟表明:金属离子掺杂使TiO₂的禁带宽度变窄、吸收波长红移,相同光照条件下光吸收系数增加,影响了TiO₂的光催化性能。光催化反应实验表明:在254 nm照射条件下,TiO₂的禁带宽度为1.09 eV时光催化性能最好,TiO₂的光吸收系数越大,光催化性能越好。     

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C0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.     

Magnli相亚氧化钛Ti8O15的电子结构和光学性能的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的平面波超软赝势法研究了Magneli相亚氧化钛Ti8O15的电子结构和光学性能.计算出的能带结构显示Ti₈O₁₅相比锐钛型TiO₂禁带宽度大幅度降低.态密度分析表明,其原因在于Ti₈O₁₅的O原子的2p轨道以及Ti原子的3p,3d轨道相对于TiO₂的相应轨道向左产生了偏移,同时由于O原子的缺失使得Ti原子的3d,3p轨道多余电子在Fermi能级附近聚集形成新的电子能级.态密度分析结果还显示,相对于TiO₂,Ti₈O₁₅Fermi能级附近电子格局发生了如下变化:O原子的2p轨道电子贡献减少,Ti原子的3d轨道的电子对Fermi能级贡献增大.光吸收计算图谱表明,TiO₂仅在紫外光区有较高的光吸收能力,而Ti₈O₁₅由于禁带宽度变窄引起光吸收范围红移到可见光区,从而在紫外光区和可见光区都有较高的光吸收能力,计算结果与实验得到的紫外-可见漫反射吸收光谱结果一致.     

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     

Na~+对尖晶石结构Co_((1-x))Na_xCr_2O_4电子结构及光学性质的影响

采用基于密度泛函理论的平面波超软赝势法,系统研究了Na+四面体掺杂Co(1-x)NaxCr2O4体系的基态结构参数、能带结构、电子态密度、磁矩和光学性质。当Na+掺杂离子数分数x为0.125时,计算结果表明Na+四面体掺杂(Co位)比八面体掺杂(Cr位)容易进行。对Na+四面体掺杂体系Co(1-x)NaxCr2O4,计算发现,随着Na+掺杂离子数分数增加,体系的晶格参数逐渐增大,晶胞的磁矩和禁带宽度均减小。同时,费米能级进入价带部分更深。此外,光学性质的结果显示Na+可以使CoCr2O4的吸收光谱发生红移,并在低能区有很强的吸收,表明Na+能极大地提高CoCr2O4对可见光的吸收和光催化效率。     

超声喷雾热解法制备氮掺杂纳米TiO_2薄膜及其光催化特性研究

利用超声喷雾热解法在玻璃衬底上制备了不同沉积温度下的氮掺杂纳米TiO2薄膜,并525℃的退火处理.通过SEM,XRD和UV-Vis透过光谱等表征手段研究了TiO2薄膜表面形貌、结构特性和光催化特性,并探讨了掺杂作用机理.SEM结果表明,在400℃温度下掺N(原子数分数4%)的TiO2薄膜表面比较均匀,致密性好;XRD分析得出,该薄膜是多晶锐钛矿结构;UV-Vis透过光谱分析得出,该薄膜在可见光区的平均透过率为82%,吸收边红移77 nm,计算得知其禁带宽度变小.在紫外光的照射下,氮掺TiO2薄膜对亚甲基蓝溶液具有良好的光催化降解作用,降解率可达46.6%.     

第一性原理计算N掺杂对InNbO_4电子结构的影响

宽带隙(3.83 e V)半导体光催化材料InNbO_4在紫外光作用下具有分解水和降解有机物的性能.最近实验发现了N掺杂InNbO_4具有可见光下分解水制氢的活性.为了从理论上解释这一实验现象,本文采用基于密度泛函理论的第一性原理计算了N掺杂对InNbO_4的能带结构、态密度和光学性质的影响.分析能带结构可得,N掺杂后在InNbO_4的价带(O 2p)上方形成N 2p局域能级,导致电子跃迁所需的能量减小.吸收光谱表明,N掺杂后InNbO_4的光吸收边出现了红移,实现了可见光吸收.