Cu/N表面沉积共掺杂TiO_2光催化剂作用机理的理论研究

本文采用基于周期性密度泛函理论研究了Cu/N表面沉积共掺杂对锐钛矿相TiO2(001)面的修饰作用.计算了Cu在不同位置掺杂TiO2(101)面和(001)面的形成能,并在此基础上计算N不同位置掺杂TiO2(001)面及Cu/TiO2(001)面的形成能,通过形成能的比较获得了表面共掺杂的最优化结构.在此基础上计算了最稳定结构的能带结构及态密度,并与S单掺杂TiO2(001)面最稳定结构进行了对比.通过对结果的分析发现:Cu/N在(001)表面的沉积共掺杂有效降低了TiO2的禁带宽度,并在表面形成CuO2相,更利于提高其光催化活性.     

臭氧修饰(001)晶面TiO_2纳米片及其光催化降解甲苯研究（英文）

本文系统研究了臭氧修饰对(001)主导晶面锐钛矿型TiO_2光催化剂降解甲苯性能的影响.利用自行搭建的光催化VOCs降解装置对催化剂光降解甲苯的性能进行了测试.通过多种表征手段,结合原位DRIFTS和DFT计算研究了臭氧表面修饰及甲苯吸附和降解机理.结果表明,用臭氧进行表面修饰可以显著提高(001)主导晶面TiO_2光催化降解甲苯的性能.(001)晶面上丰富的5c-Ti不饱和配位是臭氧分子的吸附位点,其解离后形成的Ti-O键与H_2O分子结合,在表面生成大量孤立的Ti_(5c)-OH.Ti_(5c)-OH是甲苯分子的吸附位,它的形成显著提高了对甲苯分子的吸附能力.在光照下Ti_(5c)-OH与光生空穴结合能形成·OH自由基.通过臭氧解离产生的O_2也可以与光生电子结合形成超氧自由基.这些具有强氧化性活性自由基的形成促进了对气相甲苯的光催化降解速率.     

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.     

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.     

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.     

N-F共掺杂锐钛矿二氧化钛(101)面纳米管的第一性原理研究

共掺杂是提高二氧化钛纳米管可见光催化性能的一种有效方式. 采用基于密度泛函理论的第一性原理方法, 研究了N单掺杂、F单掺杂及N-F共掺杂二氧化钛纳米管的原子结构、电子性质和光学性质. 计算结果表明, 相比N单掺杂和F单掺杂, N-F共掺杂二氧化钛纳米管的形成能更低, 掺杂后的体系热力学稳定性更好. 此外, 相比未掺杂时的带隙, N-F共掺杂后体系的带隙变化最多, 减少了0.557 eV, 而这主要源于价带顶附近的杂质能级的贡献. 此外, 通过分析掺杂后的光催化活性发现, N-F共掺杂时纳米管的还原性和氧化性都有所降低, 但并没有丧失活性, 并且光吸收谱表明, 共掺杂体系的红移现象最为明显. 因此, N-F共掺杂可有效提高二氧化钛纳米管可见光的光催化性能.     

过渡金属掺杂锐钛矿TiO_2(101)表面的改性

采用密度泛函理论的平面波超软赝势方法,对过渡金属Fe,Ni,Pd,Pt,Cu,Ag和Au的中性原子在锐钛矿TiO_2(101)面上的掺杂改性开展了系统深入的理论研究.通过比较分析锐钛矿TiO_2(101)面掺杂前后的几何结构、电子结构和光学性质等,揭示了宏观催化活性与电子结构、光电子特性之间的关联.结果表明:过渡金属掺杂能减小禁带宽度或引入杂质能级,从而提高TiO_2(101)面的可见光响应;杂质能级通常位于禁带内,这主要是由过渡金属原子的d电子态贡献形成的;不同过渡金属掺杂的TiO_2(101)面具有不同的光催化性能,这与掺杂后的禁带宽度、费米能级位置、杂质能级的形成位置以及过渡金属原子的最外层电子排布等有关.本研究为TiO_2光催化剂结构设计与改性提供了指导性参考,并有利于加深人们对其他材料的过渡金属掺杂的理解.     

臭氧修饰(001)晶面TiO2纳米片及其光催化降解甲苯研究

本文系统研究了臭氧修饰对(001)主导晶面锐钛矿型TiO₂光催化剂降解甲苯性能的影响. 利用自行搭建的光催化VOCs降解装置对催化剂光降解甲苯的性能进行了测试. 通过多种表征手段,结合原位DRIFTS和DFT计算研究了臭氧表面修饰及甲苯吸附和降解机理. 结果表明,用臭氧进行表面修饰可以显著提高(001)主导晶面TiO₂光催化降解甲苯的性能. (001)晶面上丰富的5c-Ti不饱和配位是臭氧分子的吸附位点,其解离后形成的Ti-O键与H₂O分子结合,在表面生成大量孤立的Ti_5c-OH. Ti_5c-OH 是甲苯分子的吸附位,它的形成显著提高了对甲苯分子的吸附能力. 在光照下Ti_5c-OH与光生空穴结合能形成·OH自由基. 通过臭氧解离产生的O₂也可以与光生电子结合形成超氧自由基. 这些具有强氧化性活性自由基的形成促进了对气相甲苯的光催化降解速率.     

N/Fe共掺杂锐钛矿TiO2(101)面协同作用的第一性原理研究

基于周期性密度泛函理论研究了N/Fe共掺杂对锐钛矿TiO₂(101)面的修饰作用. 计算了铁替位单掺杂TiO₂(101)面及晶体内部后, 晶体结构变化及形成能. 通过形成能的比较发现, Fe从晶体表面向体内迁移时受到势垒阻碍作用. 同时, 对不同位置表面N/Fe近邻共掺杂晶体形成能的比较, 得出了表面共掺杂的最稳定结构. 通过对电子结构及态密度的分析发现: 表面共掺杂态中, N/Fe共掺杂可改变TiO₂(101)面的电子结构, 并使TiO₂由半导体性向半金属性转变. 关键词： 2(101)面')" href="#">锐钛矿TiO₂(101)面 N/Fe共掺杂 第一性原理 半金属性     

稀土元素Gd掺杂CeO_2(111)面储释氧性能的第一性原理研究

本文采用第一性原理平面波超软赝势方法,研究了Gd掺杂Ce O2改性材料应用于固体氧化物电池电解质时的表面储释氧性能.对比研究了三种表面覆盖率Ce1-xGdxO2(x=0,0.10,0.15)下掺杂元素Gd对Ce O2的晶体结构、电子结构、氧缺陷形成过程以及表面积碳过程的影响.计算给出了相应掺杂比例下的氧缺陷形成能以及晶体表面吸附石墨烯的吸附能;结果表明:随着掺杂量的增大,氧缺陷形成能减小,晶体表面对石墨烯的吸附能增大;分析掺杂前后改性催化材料的电子结构的变化;说明Gd掺杂会导致Ce O2晶体表面结构畸变收缩,有效活化表面氧,同时利用化学平衡原理证明了Gd掺杂后的催化材料可以有效抑制表面碳沉积.从理论的角度解释了Gd掺杂Ce O2改性材料在固体氧化物电解质应用中的优势.     

过渡金属Cu、Cr掺杂TiO2表面氧化性气体NO2光学气敏传感特性

采用密度泛函理论（DFT）体系广义梯度近似（GGA）第一性原理平面波超软赝势方法,分析锐钛矿型TiO₂（101）表面吸附NO₂分子光学气敏传感的微观机理.结果表明：Cu和Cr原子易于掺入TiO₂（101）表面,掺杂表面能稳定地吸附NO₂分子且吸附后光学性质发生显著变化.表面吸附NO₂分子后,Cu掺杂TiO₂（101）表面对分子的吸附能最大,吸附后结构更稳定,分子与表面的距离最短.通过分析差分电荷密度和电荷布居数发现,NO₂分子与基底表面间发生电荷转移,转移电子数目：Cu掺杂表面 > Cr掺杂表面 > 无掺杂表面.对比吸收光谱和反射光谱发现,在Cu掺杂表面吸附分子后,光学性质变化最明显,说明表面与吸附分子间氧化还原能力是决定光学气敏传感性能的核心因素.在过渡金属中,Cu与Cr都有4s价电子结构,其4s电子降低了材料表面氧空位的氧化性,增加了其还原性.对于氧化性气体,可以提升表面与分子的氧化还原作用,而Cu的4s电子更加活泼,从而光学气敏传感特性更加明显.因此,Cu掺杂的TiO₂对氧化性气体是一种较好的光学气敏传感材料.     

(Cu,N)共掺杂TiO2/MoS2异质结的电子和光学性能:杂化泛函HSE06

在密度泛函理论的基础上,系统地研究了Cu/N（共）掺杂的TiO₂/MoS₂异质结体系的几何结构、电子结构和光学性质.计算发现,TiO₂/MoS₂异质结的带隙相比于纯的TiO₂（101）表面明显变小,Cu/N（共）掺杂TiO₂/MoS₂异质结体系的禁带宽度也明显地减小,这导致光子激发能量的降低和光吸收能力的提高.通过计算Cu/N（共）掺杂TiO₂/MoS₂的差分电荷密度,发现光生电子与空穴积累在掺杂后的TiO₂（101）表面和单层MoS₂之间,这表明掺杂杂质体系可以有效地抑制光生电子-空穴对的复合.此外,我们计算了在不同压力下TiO₂/MoS₂异质结的几何、电子和光学性质,发现适当增加压力可以有效提高异质结的光吸收性能.本文结果表明,Cu/N（共）掺杂TiO₂/MoS₂异质结和对TiO₂/MoS₂异质结加压都能有效地提高材料的光学性能.     

Ce和O空位共掺杂TiO_2的电子结构与光学性质

采用基于密度泛函理论加U的计算方法,研究了Ce和O空位单(共)掺杂锐钛矿相TiO_2的电子结构和光吸收性质.计算结果表明,Ce和O空位共掺杂TiO_2的带隙中出现了杂质能级,且带隙窄化为2.67 eV,明显比纯TiO_2和Ce,O空位单掺杂TiO_2的要小,因而可提高TiO_2对可见光的响应能力,使TiO_2的光吸收范围增加.光吸收谱显示,掺杂后TiO_2的光吸收边发生了显著红移;在400.0—677.1 nm的可见光区,共掺杂体系的光吸收强度显著高于纯TiO_2和Ce单掺杂TiO_2,而略低于O空位单掺杂TiO_2.此外,Ce掺杂TiO_2中引入O空位后,TiO_2的导带边从-0.27 eV变化为-0.32 eV,这表明TiO_2的导带边的还原能力得到了加强.计算结果为Ce和O空位共掺杂TiO_2在可见光光解水方面的进一步研究提供了有力的理论依据.     

Zn吸附到含有氧空位(VO)以及羟基(-OH)的锐钛矿相TiO2(101)表面电子结构的第一性原理计算

基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势方法, 计算了Zn吸附到TiO₂(101)清洁表面、含有氧空位(V_O)的缺陷表面以及既含有氧空位(V_O)又含有羟基(-OH)表面的能量、Mulliken重叠布居数以及电子结构, 并找到了Zn在每种表面的最稳定结构(分别为模型(c), 模型(aI)以及模型(aII)). 通过对三种表面稳定结构的分析、对比发现: 首先, Zn原子吸附到清洁TiO₂(101)表面上, 主要与表面氧相互作用, 形成Zn–O共价键; 其次, 当Zn原子吸附到缺陷表面时, 吸附能减小到-1.75 eV, 说明Zn更容易吸附到氧空位上(模型(aI)); 最后, 纵观表面模型的能带结构以及态密度图发现, -OH的引入并没有引进新的杂质能级, Zn吸附此表面, 即Zn-TiO₂-V_O-OH, 使得禁带宽度缩短到最小(1.85 eV), 从而有望提高TiO₂的光催化活性. 关键词： 密度泛函理论 氧空位 羟基 Zn原子     

A theoretical analysis of the TiO2/Sn doped (1 1 0) surface properties

We have used the periodic quantum-mechanical method with density functional theory at the B3LYP level in order to study TiO₂/Sn doped (1 1 0) surfaces and have investigated the structural, electronic and energy band properties of these oxides. Our calculated relaxation directions for TiO₂ is the experimental one and is also in agreement with other theoretical results. We also observe for the doped systems relaxation of lattice positions of the atoms. Modification of Sn, O and Ti charges depend on the planes and positions of the substituted atoms. Doping can modify the Fermi levels, energy gaps as well as the localization and composition of both valence and conduction band main components. Doping can also modify the chemical, electronic and optical properties of these oxides surfaces increasing their suitability for use as gas sensors and optoelectronic devices.     

Structure and stability of the anatase TiO2 (101) and (001) surfaces

Well-defined (101) and (001) surfaces of anatase TiO₂ were studied for the first time by secondary-electron imaging and low-energy electron diffraction. Initially, both surfaces show a crystalline structure corresponding to the bulk anatase phase, buried under an atomically thin contamination layer. After mild sputtering with 500 eV Ne⁺ ions, we have observed a surface phase transition from tetragonal anatase to face-centered cubic titanium monoxide TiO. Subsequent annealing at 900 K restores the (1×1) anatase structure at the (101) surface. On the (001) surface, however, a (1×4) reconstruction appears. The unreconstructed structure can be recovered by exposing the surface to oxygen. These observations demonstrate the stability of the anatase surfaces and illustrate the feasibility of preparing and investigating clean surfaces of this technological important form of TiO₂.     

Influence of silver doping on the photocatalytic activity of titania films

By means of X-ray diffraction, BET nitrogen adsorption, UV-Vis-NIR transmission spectroscopy, transmission electron microscope, scanning electron microscope, X-ray photoelectron spectroscopy and photodegradation of methylene blue, effects of Ag doping on the microstructure and photocatalytic activity of TiO₂ films prepared by sol–gel method were studied. It is found that with a suitable amount (2–4 mol%), the Ag dopant increases the photocatalytic activity of TiO₂ films. The mechanism can be attributed to that (1) anatase grain sizes decrease with Ag doping and the specific surface areas of doped TiO₂ films increase, the charge transfer in TiO₂ films is promoted; (2) by enhancing the electron–hole pairs separation and inhibiting their recombination, the Ag dopant enhances the charge pair separation efficiency for doped TiO₂ films.