金红石结构TiO2晶体点缺陷形成能的经验途径计算

基于经验参数化途径 ,通过对晶体结构、晶格形成能、介电性质和弹性实验数据拟合确定金红石结构氧化物晶体TiO2 的电子壳模型参数和非Coulomb互作用势参数 .计算点缺陷形成能 .论证Schottky缺陷是金红石结构TiO2中的本征缺陷 .     

金红石型TiO_2中四种点缺陷态研究

利用第一性原理计算方法研究了金红石型TiO_2中四种缺陷的电子态.这四种缺陷包括氧空位(O_v)、钛空位(Ti_V)、钛间隙(Ti_S)以及氧空位O_v与钛间隙态Ti_S共存态.氧空位的存在导致禁带内施主缺陷能级较浅,而深施主能级与Ti间隙态有关.预测了氧空位更倾向于与钛间隙结合,主要通过钛间隙态的3d电子部分转移到近邻近氧空位的部分形成O_V-Ti_S对缺陷.具有O_v、Ti_S或O_V-Ti_S缺陷的体系都出现间隙态,促进体系出现红外吸收.     

共掺杂金红石TiO2的电子结构和红外光谱研究

本文对大别山双河、碧溪岭地区硬玉石英岩中的金红石进行了Fourier变换红外光谱(FTIR)分析, 结果显示所有金红石颗粒分别在3280 cm^-1和3295 cm^-1 出现强的吸收峰. 基于前人提出H在金红石结构中以孔道中心(CC)和八面体共边(BOE)方式存在的两种模型, 本文采用第一性原理计算方法研究了掺杂(Al, H)和(Fe, H)时金红石相TiO₂的晶体结构和电子结构. 根据O—H键的振动频率和O—H…O键中O—O之间距离的经验关关键词：2')\" href=\"#\">金红石相TiO₂孔道中心电子结构第一性原理     

金红石型TiO2点缺陷性质的第一性原理研究

本文运用基于局域密度泛函和赝势的第一性原理方法研究了金红石相TiO2点缺陷的电子性质,结果表明氧空位缺陷使晶体的费米能量升高,在能隙中没有产生杂质能级.钛空位缺陷使晶体的费米能量降低,并在价带顶部产生了一个杂质能级,与价带顶能量相差约0.4 eV.本文还计算了金红石相TiO2在具有氧空位和钛空位点缺陷情况下的键长变化、态密度和电荷布居状况.     

原位FTIR技术考察金红石TiO2的表面羟基及其对甲苯的光催化氧化作用

表面羟基是TiO2表面性质的一个重要组成部分,是TiO2光催化活性的一个重要影响因素。在光催化反应过程中,TiO2的表面羟基不仅能够与光生空穴反应生成羟基自由基(OH·),而且还可能成为有机物的吸附中心而改变反应物的吸附形态并影响反应物分子的催化反应,因此,研究TiO2的表面羟基有助于更深刻理解光催化反应机理。本工作以金红石TiO2为研究对象,在自制的原位红外测试系统中探测了样品在经过不同温度真空处理后,样品表面羟基的数量、种类和分布的变化;以甲苯为反应探针分子,采用原位FTIR技术研究了不同表面羟基对甲苯的吸附作用和光催化反应性能。结果表明,金红石TiO2表面含两种热稳定性不同的羟基,一类是在高温下保持相对稳定的孤立羟基,其红外吸收波数在3 724,3 700,3 652cm-1,其中3 652cm-1的吸收强度最大;另一类是热稳定性较差的氢键羟基,其红外吸收波数在3 648,3 610,3 413,3 362cm-1,这些羟基在热处理温度为250℃时几乎消失。在吸附甲苯的过程中,只有吸收波数在3 648,3 610和3 652cm-1的羟基强度减小,是甲苯的吸附中心,而其余羟基几乎不变。     

N-S共掺杂金红石相TiO2电子结构与光学性质的第一性原理研究

采用基于第一性原理的平面波超软赝势方法研究N和S单掺杂以及N和S共掺杂金红石相TiO2的能带结构,态密度和光学性质.结果表明:N掺杂导致禁带宽度减小为1.43 eV,并且在价带上方形成了一条杂质能带;S掺杂导致费米能级上移靠近导带,直接带隙减小为0.32 eV;N和S共掺杂导致能带结构中出现了两条杂质能带,靠近导带的一条杂质能级距离导带底约0.35 eV,靠近价带的一条杂质能级距离价带顶约0.85 eV,杂质能级主要由N原子的2p轨道和S原子的3p轨道组成.N和S掺杂后不但使TiO2的吸收带产生红移,而且在可见光区具有较大的吸收系数,光催化活性增强.     

高氧空位浓度对金红石TiO2导电性能影响的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的平面波超软赝势方法研究了 纯的和不同高氧空位浓度金红石型TiO_2-x (x=0, 0.083, 0.125, 0.167, 0.25)超胞的能带结构分布、态密度分布.同时, 采用局域密度近似+U方法调准了带隙.结果表明, 高氧空位浓度越高, 金红石型TiO₂的最小带隙越变窄、电子有效质量越减小, 自由电子浓度越高, 电子迁移率越低、电导率越低.计算结果与实验结果的变化趋势相符合.关键词：高氧空位2')\" href=\"#\">金红石型TiO₂电导率第一性原理     

锐钛矿型TiO2(101)面本征点缺陷的理论研究

采用平面波超软赝势方法计算了锐钛矿型TiO₂(101)面存在本征空位和间隙点缺陷的几何结构以及缺陷形成能.首先分析了点缺陷对表面结构的影响,发现不同类型缺陷导致缺陷周围原子有不同的位移趋势：O空位的产生导致空位周围的Ti原子向空位外移动,Ti₁和Ti₂空位的产生均使O₁自发地与周围的O原子团聚,O_i原子易被周围的氧原子吸附而成键,而Ti_i2缺陷几乎关键词：第一性原理2')\" href=\"#\">TiO₂点缺陷表面结构     

重氧空位对金红石型和锐钛矿型TiO2导电性能影响的模拟计算

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,构建了未掺杂与相同重氧空位金红石型和锐钛矿型TiO_1.9375超胞模型,分别对模型进行了几何结构优化、能带结构分布和态密度分布的计算. 结果表明,氧空位后金红石型和锐钛矿型TiO₂体系体积均变大,同时,锐钛矿型TiO_1.9375超胞的稳定性、迁移率以及电导率均高于金红石型TiO_1.9375超胞. 计算结果和实验结果相一致.关键词：重氧空位2')\" href=\"#\">金红石型和锐钛矿型TiO₂导电性能第一性原理     

V5+掺杂TiO2金红石结构的分子动力学

采用经典离子晶体相互作用势模型, 进行量子化修正,对TiO2金红石相替位式掺杂0.5mol％V5+进行分子动力学模拟,计算了常温常压下的键长、键角的分布函数,分析了晶体的微结构变化以及V5+对TiO6八面体的影响．模拟结果表明,掺杂V5+会导致Ti-O、O-O键长以及O-Ti-O键角的分布范围变宽,其中,键长的主峰位置未发生显著的移动, 而键角主峰向低角度方向移动． 由于V5+比Ti4+有较高的正电荷和较小的离子半径, 因此V5+向氧八面体间空隙扩散,且掺杂V5+迁移出原来的O6八面体,从而导致空隙邻近的TiO6八面体发生严重扭曲．在低掺杂情况下(0.5 mol％)虽然掺杂易造成结构畸变,但模拟体系整体仍维持金红石结构;所得模拟的键长变化、掺杂V5+迁移、晶相等结构特性与FTIR、Raman、XRD、ESR等实验结果相一致．     

锐钛矿型TiO2(101)面原子几何及弛豫结构的第一性原理计算

采用平面波超软赝势方法计算了锐钛矿型TiO₂(101)面的表面能和表面原子弛豫结构.首先对TiO₂(101)面的6种不同的表面原子终止结构的体系总能量进行了计算,结果表明终止原子为两配位的O原子、次层为五配位的Ti原子的表面结构最为稳定.针对该表面研究了表面能和原子弛豫与模型中原子层数和真空厚度的关系,当原子层数为12层,真空厚度为0.4nm时,表面能收敛度小于0.01J/m².研究发现:表面上两配位的O原子向里移动约0.0012nm,五配关键词：第一性原理2')\" href=\"#\">TiO₂表面结构弛豫     

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.     

由纳米管和纳米颗粒构成的TiO2膜的制备与机理研究

采用聚苯乙烯小球修饰Ti片表面,并进行阳极氧化,制备出一种由纳米颗粒和纳米管构成的TiO₂膜．通过数值模拟,分析了氧化表面附近的局部电场分布对TiO₂膜形貌的影响．结果表明,覆盖物增强了局部电场,从而加快了O^2-与Ti的反应速率,有利于TiO₂的生长;与此同时,[TiF₆]^6-的扩散受到阻碍,使得TiO₂的溶解速率减慢．可见,覆盖物打破了TiO₂纳米管形成的平衡条件,导致纳米颗粒的生成．此外,通过X射线衍射和Raman光谱的测试分析发现,所制备的TiO₂为锐钛矿结构.     

低成本溶胶-凝胶法制备SiO2/TiO2双层膜的减反射与自清洁性能

将玻璃基底依次在低成本的SiO₂溶胶和TiO₂溶胶中浸渍后,在500 oC下煅烧制备了同时具备减反射与自清洁性能的SiO₂/TiO₂双层膜．该膜的光学性能与结构特征分别通过紫外-可见分光光度计和场发射扫描电镜进行了表征．同时,源于超亲水性和光催化作用的自清洁性能也凸显出来．实验结果表明制备SiO₂/TiO₂双层膜对光的透射率最高可达到95%,同时具备自清洁性能．     

N掺杂锐钛矿TiO2电子结构的第一性原理研究

为了研究N掺杂对锐钛矿型TiO₂电子结构的影响,进而揭示N掺杂导致锐钛矿型TiO₂的禁带宽度变小的机理,对N掺杂TiO₂进行了基于密度泛函理论的第一性原理研究. 通过对能带、态密度及电子分布密度图的分析,发现在N掺杂后,N原子与Ti原子在导带区,发生了强烈的相互关联作用,致使Ti原子3d轨道上的电子向N原子2p轨道发生移动,使得导带降低了,从而使得TiO₂导带的禁带宽度变小.理论预测可以发生红移现象,与实验结果对比分析,理论与实验基本相符. 关键词：N掺杂2')\" href=\"#\">锐钛矿型TiO₂电子结构