Ce、N共掺杂锐钛矿相TiO2光学性能的第一性原理研究

采用密度泛函理论研究了Ce、N共掺杂锐钛矿相TiO2的电子结构、态密度和光学特性.计算结果表明,不同位置Ce、N共掺杂对TiO2的杂质形成能、带隙和光学性质是有影响的.共掺杂带隙比单掺杂TiO2的更窄,导致电子从杂质能级激发到导带的概率增大,这会提高共掺杂TiO2的光量子效率.Ce、N共掺杂后TiO2吸收带边红移至可见光区的更远处,光学吸收系数比单掺杂时更强,这主要是由Ce、N共掺杂的协同效应引起的.带边位置的计算结果表明掺杂TiO2的强氧化还原能力得到保持.因此,Ce、N共掺后TiO2在可见光区具有良好的光催化性能.     

Cu-I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第一性原理,计算了未掺杂,Cu、I单掺杂以及Cu-I共同掺杂锐钛矿相TiO2的电子结构和光学性质.结果 表明,Cu、I单独掺杂TiO2都使得吸收带边红移,I单掺时I5p跟O2p态造成禁带宽度变小,吸收带边红移,Cu单掺时Cu的3d态杂质能级引入价带顶部造成禁带宽度变小,吸收带边红移更加明显.对于Cu-I共同掺杂TiO2,Cu主要作用于价带顶,I主要作用于导带底,进而引入杂质能级,使得禁带宽度明显减小,吸收带边明显红移,通过Cu-I协同作用形成电子、空穴俘获中心,有效地阻碍了电子-空穴对的复合,提高了对可见光的催化效率.     

S与Hf/Ta/W掺杂锐钛矿相TiO2电子结构和 光学性质的第一性原理研究

运用第一性原理密度泛函理论,计算了S单掺及S和过渡金属X(Hf、Ta、W)共掺锐钛矿相TiO2后的电子结构和光学性质.计算结果表明,S单掺及S和X(Hf、Ta、W)共掺杂锐钛矿TiO2后,带隙变窄,表明掺杂后的体系导电性能增强,其中Ta、W与S共掺后,费米能级穿过导带,表现出n型半导体特征;光学性质结果表明:掺杂后各体系的吸收光谱吸收带边均发生红移,S-Ta共掺和S-W共掺体系红移程度最大,并且在可见光区域出现吸收峰,S-W共掺体系的吸收峰最大,说明了该体系的光催化功能较强.各掺杂体系的反射率主峰均向低能方向移动,共掺移动幅度更大,且S-W共掺体系的反射系数在可见光区最大.各共掺体系的静态折射率依次增大,其中S-Hf共掺体系静态折射率在各体系中最小.     

Cr掺杂锐钛矿相TiO2光学性质的第一性原理研究

本文对Cr掺杂TiO2进行了基于密度泛函理论的第一性原理研究.模拟计算了完整及Cr掺杂TiO2的电子结构,介电函数及吸收光谱的偏振特性.计算结果表明完整的锐钛矿型TiO2晶体在可见光范围内无吸收;掺Cr后晶体的禁带宽度减小到2.25 eV,吸收边红移,并在可见光区域出现了2.51 eV(495 nn)的吸收峰,表明Cr掺杂有利于提高TiO2对太阳光的吸收.计算结果与实验结果基本相符.     

Ce掺杂与O空位对锐钛矿相TiO2磁学和光学性能影响的第一性原理研究

基于第一性原理计算,建立了含有不同Ce与O空位配比的锐钛矿TiO2模型.对各个体系的稳定性、磁性、电子结构及吸收光谱进行了计算.结果表明:Ce与近邻O空位间的自旋电子交换是锐钛矿TiO2净磁矩的来源,因此体系的磁性与Ce和O空位的相对位置有关.Ce或O空位浓度增加在费米能级附近形成的施主能级使得带隙宽度进一步减小,因此体系对可见光的吸收系数进一步增加.与局域性更强的Ce-4f电子相比,Ti-3d电子更易受激参与光催化反应,因此Ce掺杂引起的O空位及其浓度是影响锐钛矿TiO2光催化性能的主要因素.     

不同价态稀土元素Eu掺杂锐钛矿相TiO2的电子结构及光学性质

基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理的平面波超软赝势法对锐钛矿TiO2晶体和Eu3+,Eu2分别掺杂的锐钛矿TiO2晶体的晶格参数、能带结构、态密度、差分电荷密度以及吸收光谱进行了计算.结果表明:不同价态Eu掺杂后锐钛矿TiO2晶胞膨胀,晶格都发生畸变;同时引入了杂质能级,减小了锐钛矿相TiO2的禁带宽度,TiO2的光吸收带边发生明显红移,在紫外区和可见光区的吸收系数增大.     

Nd、N掺杂和Nd/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

采用基于密度泛函理论的第一性原理研究了 N掺杂, Nd掺杂,和Nd/N共掺杂对锐钛矿相TiO2晶格参数、能带结构、电荷布居、电子态密度和光吸收性质的影响.结果表明,杂质的引入不同程度的改变了TiO2的晶格参数,Nd的掺杂使TiO6八面体畸变最大;N掺杂TiO2使带隙宽度减小,且在价带顶出现杂质能级;Nd掺杂和Nd/N共掺杂不仅使TiO2带隙宽度减小并在其价带和导带之间出现了空带,空带主要由Nd原子的4f轨道能级所贡献;由于禁带宽度的减小和杂质能级的出现使得掺杂后TiO2的吸收光谱的吸收边向可见光方向移动,增加了物质对光吸收的响应范围.     

Hf/Ta/W单掺锐钛矿相TiO2的电子结构和光学性质的第一性原理研究

运用第一性原理赝势方法计算过渡金属X(Hf、Ta、W)单掺锐钛矿相TiO2后的电子能带结构、态密度和光学性质.计算结果表明,X掺锐钛矿相TiO2,使得掺杂后体系的体积增大,并随着X掺杂浓度的增加而增大;掺杂体系的禁带宽度都比纯TiO2的要小;由能带图可知,Ta、W单掺后,费米能级进入导带,说明这两种单掺体系属于N型半导体;随着不同浓度Hf、Ta、W的掺入,发现吸收光谱都发生了不同程度的红移,其中Ta、W掺杂体系的光响应范围覆盖了整个可见光区域,对比所有掺杂体系发现Ti0.9375 W0.0833 O2在可见光区域的光响应能力最强,这些现象说明X的掺入大大提升了TiO2光催化能力.     

高压下Pca21相TiO2直接相变的第一性原理研究

利用第一性原理的GGA+U方法对TiO2的金红石相(P42/mnm)、铌铁矿相(Pbcn)和Pca21相(Pca21)进行了计算.首先,优化了这几个相的晶体结构及相关参数,分析了焓曲线图,发现在减压至8.4 GPa时,Pca21相直接相变为铌铁矿相.其次,通过拟合分析了三阶Birch-Murnaghan状态方程得到Pca21相的体弹模量B0与类萤石结构实验值(202 GPa)非常符合.最后,通过讨论Pca21相的相变压强和体弹模量,进一步证明Pca21相结构更符合类萤石实验结果.     

La,Ce共掺锐钛矿相TiO2的电子结构及光学性质的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理对La和Ce单掺杂及La-Ce共掺杂锐钛矿TiO2前后的晶格参数、能带结构、态密度以及光吸收特性进行了计算。结果表明:掺杂后导致锐钛矿TiO2晶胞膨胀,晶格发生明显畸变并减小了锐钛矿相TiO2的禁带宽度;La-Ce共掺杂后引入新的杂质能级,导带下移,TiO2的光吸收带边发生明显红移,在紫外区和可见光区的吸收系数增大,有效提高了TiO2的光催化效率。     

La掺杂量对ZnO光电性能影响的第一性原理研究

采用密度泛函理论下的平面波超软赝势方法和杂化泛函理论下的模守恒赝势方法,分别计算了未掺杂ZnO和两种La掺杂浓度的ZnO模型,其中对较高La掺杂浓度的计算还设置了两种不同的掺杂位置.结构优化后,首先通过计算形成能、系统总能量和电荷布居值,对掺杂后体系的稳定性进行了分析;而后结合自旋基态能量与自旋电子态密度对掺杂体系的磁性状态进行了说明;最后通过计算得到的电子结构及吸收光谱讨论了La掺杂量对ZnO光电性能的影响.结果表明:随La掺杂量增加,ZnO体系稳定性有所降低;La掺杂ZnO无磁性,电子结构不会受到自旋能级分裂的影响;与纯ZnO相比,La掺杂ZnO的禁带宽度增大,吸收光谱蓝移,然而通过控制La浓度与掺杂方式可以有效增强La-5d与Zn-4s电子态的交换关联作用而减小ZnO的最小光学带隙,提高ZnO对可见光的吸收系数,使光生空穴-电子对有效分离的影响.     

锐钛矿二氧化钛纳米颗粒水热结晶过程研究

以钛酸四丁酯(TBOT)为钛源,氨水为矿化剂,在水热条件下,反应结晶制备锐钛矿TiO2纳米颗粒.并对锐钛矿TiO2进行X射线衍射(XRD)、拉曼光谱(Raman)、扫描电子显微镜(SEM)、投射电子显微镜(TEM)表征,分析其物相组成及形貌.结果表明,反应时间是锐钛矿TiO2形成和生长控制的关键因素.利用JMA方程对锐钛矿TiO2结晶生长进行动力学分析.结果表明,随着钛源浓度增加,Avrami指数n逐渐变大.     

Ag,N共掺锐钛矿TiO2电子结构和光学性质的第一性原理研究

基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理研究了未掺杂,Ag、N单掺杂及Ag-N共掺杂锐钛矿TiO2的晶体结构,电子结构及光学特性.研究结果表明,掺杂后锐钛矿TiO2晶胞膨胀,晶格发生明显畸变;Ag-N共掺杂TiO2禁带中引入新的杂质能级,导带下移,禁带宽度减小到1.34 eV,TiO2的光吸收带边发生明显红移,在紫外区和可见光区的吸收系数增大,提高了TiO2的光催化效率.     

锐钛矿相TiO2纳米棒状晶体的水热合成

以TiCl3为前驱物,在前驱物中添加一定的钛酸钠纳米管,在水热条件下,合成了锐钛矿相TiO2纳米晶体.其工艺参数为:1.0 mol/L KF为矿化剂,填充度为68;,150 ℃恒温保持24 h.生成的晶体形貌为块状.当添加经400 ℃烧结过的钛酸纳米管时,合成了棒状锐钛矿晶体,晶体直径约为10 nm,长度约为30～100 nm,最大长径比约为5:1.研究了在前驱物中添加不同的纳米管时对生成物的影响.