表面非金属掺杂对锐钛矿相TiO2(101) 面吸附NH3特性的影响

采用基于密度泛函理论(DFT-D)体系下的第一性原理平面波超软赝势方法,研究了被不同非金属（B、C、N、F）掺杂的TiO2(101)表面吸附NH3的特性与作用机理。研究发现：被非金属掺杂后的表面对NH3的吸附效果要优于未掺杂表面。不同元素掺杂对比发现：C掺杂后的表面吸附能最大,稳定后吸附距离最小,为最稳定吸附结构。通过Mulliken电荷分布和分态密度的分析,得到了不同吸附条件下NH3在TiO2掺杂表面的催化氧化还原作用机理,并发现各模型吸附能的不同是由于掺杂（X）位原子与NH3分子的相互作用强弱不同所造成。掺杂原子在费米面附近的电子态密度贡献越强,掺杂原子与NH3分子电荷转移的净值越小,吸附距离越小,吸附能越大,吸附更稳定。     

表面非金属掺杂对锐钛矿相TiO_2(101)面吸附NH_3特性的影响

采用基于密度泛函理论(DFT-D)体系下的第一性原理平面波超软赝势方法,研究了被不同非金属(B、C、N、F)掺杂的TiO_2(101)表面吸附NH_3的特性与作用机理.研究发现:被非金属掺杂后的表面对NH_3的吸附效果要优于未掺杂表面.不同元素掺杂对比发现:C掺杂后的表面吸附能最大,稳定后吸附距离最小,为最稳定吸附结构.通过Mulliken电荷分布和分态密度的分析,得到了不同吸附条件下NH_3在TiO_2掺杂表面的催化氧化还原作用机理,并发现各模型吸附能的不同是由于掺杂(X)位原子与NH_3分子的相互作用强弱不同所造成.掺杂原子在费米面附近的电子态密度贡献越强,掺杂原子与NH_3分子电荷转移的净值越小,吸附距离越小,吸附能越大,吸附更稳定.     

H2O分子在锐钛矿型TiO2(101)表面的吸附特性与微观机理

近年来,随着着光纤技术和光集成技术的发展,光学气敏湿度传感器被广泛应用,在气敏传感材料领域中,由于TiO2具有灵敏度高、响应时间快等优点而受到广泛关注。本文采用基于密度泛函理论(DFT)的平面波超软赝势方法,模拟计算H2O分子在锐钛矿型TiO2(101)无氧空位和有氧空位表面的吸附行为,对吸附能、吸附距离、吸附前后表面电子态密度以及光学性质分别进行分析,结果表明：H2O分子在无氧空位锐钛矿型TiO2(101)表面不容易被吸附,在含有氧空位缺陷的表面容易被吸附;稳定吸附后,H2O分子平面垂直于TiO2表面;负电中心（O端）距空位越近,吸附越稳定,且氧空位浓度越高,吸附效果越明显;通过电子态密度分析发现,H2O分子吸附于含氧空位的表面后,由于H2O分子中O原子的2p孤对电子掺入,在费米能级附近出现新峰值,提高了材料在可见光低能区域的跃迁几率,明显改善了对可见光的吸收系数和反射率,光学气敏传感特性显著。     

H_2O分子在锐钛矿型TiO_2(101)表面的吸附特性与微观机理

本文采用基于密度泛函理论(DFT)的平面波超软赝势方法,模拟计算H2O分子在锐钛矿型TiO2(101)无氧空位和有氧空位表面的吸附行为,对吸附能、吸附距离、吸附前后表面电子态密度以及光学性质分别进行分析,结果表明:H2O分子在无氧空位锐钛矿型TiO2(101)表面不容易被吸附,在含有氧空位缺陷的表面容易被吸附;稳定吸附后,H2O分子平面垂直于TiO2表面;负电中心(O端)距空位越近,吸附越稳定,且氧空位浓度越高,吸附效果越明显;通过电子态密度分析发现,H2O分子吸附于含氧空位的表面后,由于H2O分子中O原子的2p孤对电子掺入,新峰值在费米能级附近出现,提高了材料在可见光低能区域的跃迁几率,明显改善了对可见光的吸收系数和反射率,光学气敏传感特性显著.     

锐钛矿相TiO2(101)表面对有机分子不同官能团微观吸附的机制

挥发性有机化合物(VOCs)严重危害了生态环境和人体健康,因此对具有典型官能团的VOCs气体进行灵敏检测具有重要意义.文章研究了具有典型官能团的VOCs气体C₂H₂、C₂H₄、HCOOH、CH₃OH、HCHO和CH₃COCH₃分子在锐钛矿相TiO₂(101)表面吸附的传感特性.结果表明：具有氧空位缺陷的表面对极性分子吸附时,偶极矩越大,吸附体系越稳定;对非极性分子吸附时,C原子成键饱和程度越低,吸附体系越稳定.分析发现,差分电荷密度和电荷布局体现出偶极矩大小和C原子成键饱和程度对气体分子得失电子能力的影响.对于极性分子,气体分子官能团中O原子得到电子的能力为OCH₃COCH₃>OHCHO>OCH₃OH>OHCOOH;对于非极性分子,官能团中C原子得到电子的能力为CC₂H₂>CC     

三氯苯酚在TiO_2(101)面吸附特征的理论研究

本文利用密度泛函理论,研究了三氯苯酚(TCP)在锐钛矿型TiO_2(101)晶面的吸附特征,优化得到了四种稳定的吸附构型,计算了最佳吸附位点、吸附能、电荷密度等.研究发现:四种稳定吸附构型都具有化学吸附特征,并且当三氯苯酚羟基上的氢原子被吸附在TiO_2(101)晶面的三配位的氧原子上时,吸附能最大,吸附结构最稳定,吸附位相邻的C-C键长和C-Cl键长均有增加,键得到了活化,从而增加了该位置断键的可能性.本研究工作将为后续三氯苯酚的开环降解研究提供理论依据.     

Fe-N共掺杂锐钛矿相TiO2电子性质与光学性质的第一性原理研究

近年来,Fe和N掺杂锐钛矿相TiO2半导体在实验中发现许多优异性能,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纯锐钛矿相TiO2、Fe和N单掺杂及Fe和N共掺杂TiO2的能带结构、电荷布居、态密度和光学性质.分析发现:Fe掺杂引起杂质能带位于禁带中央,杂质能带最高点与导带相距大约0.6 eV而最低点与价带相距大约0.2 eV;N掺杂引起的杂质能带位于价带顶部附近. Fe和N共掺杂后杂质能带由两部分组成,位于价带顶上方0.62 eV和导带底下方0.22 eV处,其中一层杂质能带主要由N原子的2p轨道和Fe原子的3d轨道杂化形成,而另一条杂质能带主要由Fe原子的3d轨道形成,由于杂质能级的出现,使锐钛矿TiO2的禁带宽度变小.对光学性质分析发现:Fe和N共掺杂会使锐钛矿TiO2光学吸收带边红移,可见光区的光吸收系数明显增大,在低能区出现了新的吸收峰,对应能量为1.82 eV,与实验结果相符.     

非金属元素掺杂锐钛矿TiO_2(101)表面对提升NH_3光学气敏传感特性的影响

本文采用第一性原理平面波超软赝势的方法,模拟计算了含氧空位锐钛矿TiO_2(101)表面单掺杂非金属C元素、N元素、F元素以及双掺杂C-N元素、C-F元素、N-F元素后表面的氧化还原能力,分析对NH_3分子吸附的微观机理,研究杂质掺入对光学传感特性的影响.结果表明:非金属元素是比较容易掺入到锐钛矿TiO_2(101)表面,掺杂表面对NH_3分子吸附较未掺杂的表面要好,表面吸附NH_3分子后,吸附距离都出现缩短,C-N元素掺杂后吸附距离最小且吸附能最大;通过Mulliken电荷布居分布分析,C掺杂提升了表面的氧化性,N元素对表面的氧化性提升不明显,而F掺杂降低了表面的氧化性;通过态密度分析可知,C掺杂在禁带中产生了受主能级,而N掺杂提高了价带顶的电子态密度,F掺杂在导带底产生了施主能级;通过光学性质的分析可知:C掺杂提升了材料对低能可见光的响应,使材料对570 nm～760 nm范围内的可见光吸收提高了大约3.5倍;而C-N双掺杂体系,使材料对400 nm～570 nm范围内的可见光吸收提高了大约3倍.总的来说,单掺杂C元素以及双掺杂C-N元素都能明显的提高材料的光学气敏传感特性.     

Cu在Zr掺杂CeO2(111)面吸附特性的第一性原理研究

采用基于广义梯度近似的投影缀加平面波方法和具有三维周期性边界条件的超晶胞结构模型,用第一原理计算方法,计算并分析了Cu在Zr掺杂的CeO2(111)面吸附所形成的Cu/ Ce0.75Zr0.25O2(111)界面体系的吸附能、吸附结构和电子结构。结果表明：（1）Cu在Ce0.75Zr0.25O2(111)面上次层O的顶位,且邻近Zr原子的吸附位置的吸附能最大,吸附最强;（2）Zr的掺杂增强了Cu与CeO2衬底的作用;（3）Cu的吸附,在CZ(111)面的O2p-Ce4f态之间引入了新的间隙态,这些间隙态主要来自于Cu3d与衬底O2p的杂化作用,这是Cu与CeO2/ZrO2有较强作用的主要原因;（4）吸附的Cu被Ce0.75Zr0.25O2氧化为Cuδ+,并伴随着表面Ce4+ → Ce3+的转化,该反应可以总结为：Cu/Ce4+→ Cu δ+/Ce3+。     

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.     

Density functional theory studies on the structural and physical properties of Cu-doped anatase TiO2(101) surface

Structure and physical properties of anatase TiO₂ (101) surface doped with copper have been studied by using density functional theory. Results show that Cu@Ti and Cu@O systems behave as p and n type semiconductors, respectively. Anatase TiO₂ (101) surface exhibits a blue shift in optical absorption spectra compared with pure TiO₂ bulk materials. Enhanced photocatalytic activity at wavelength around 400 nm could be contributed by the change in electronic structure.     

First principles study of oxygen adsorption on the anatase TiO2 (101) surface

The main objective of this study is to understand the sensing origin of anatase TiO₂ and provide an insight into why gas sensitivity of anatase TiO₂ is not so excellent.

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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.     

First-principle studies of the magnetism and optical properties of (Sc,Y)-codoped anatase TiO2 (101) surface

We calculated the electronic structure, magnetism and optical properties of the Sc-doped, Y-doped, and (Sc, Y)-codoped anatase TiO₂ (101) surface using a projector augmented wave (PAW) method with GGA + U approximation. Sixteen doping systems were considered in the present work. The lattice distortion results in the generation of an internal local electric field. In addition, the difference between positive and negative spin charge densities leads to the generation of magnetism. With the exception of the [email protected] system, the width of band gap of the other doping systems increases to varying degrees, leading to a blueshift of the absorption edge. The photocatalytic activity of all the doping systems was improved to different degrees. The absorption intensity and absorption range of the [email protected]&[email protected] system in the visible-light region is the highest amongst all doping systems. This mainly attributed to the formation of hole states and the presence of impurity bands.