N/Cu共掺杂锐钛矿型TiO2第一性原理研究

基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势法, 采用局域自旋密度近似加Hubbard U值方法研究了纯锐钛矿型TiO₂, N, Cu单掺杂TiO₂及N/Cu共掺杂TiO₂ 的晶体结构、电子结构和光学性质. 研究结果表明, 掺杂后晶格发生相应畸变, 晶格常数变大. N 和Cu的掺杂在TiO₂禁带中引入杂质能级, 禁带宽度发生相应改变. 对于N掺杂TiO₂禁带宽度减小较弱, 而Cu掺杂和N/Cu共掺TiO₂禁带宽度显著降低, 导致吸收光谱明显红移, 光学催化性增强, 有利于实际应用.     

第一性原理研究Eu/N共掺杂锐钛矿TiO2光催化剂的电子和光学性质

基于密度泛函理论的第一性原理平面波赝势方法, 运用Vasp方法计算了Eu, N掺杂及Eu/N共掺杂锐钛矿TiO₂的结构, 并分析了其电子及光学性质. 通过计算发现有一些Eu的4f态电子在Eu掺杂锐钛矿TiO₂的体系的费米能级附近出现杂质能级, 并且N掺杂会使得锐钛矿TiO₂的禁带宽度减小. 对于共掺杂体系而言, Eu/N共掺杂的协同效应能导致锐钛矿TiO₂的晶格畸变及禁带宽度减小. 与此同时, 计算得到的光吸收谱表明Eu/N混合掺杂锐钛矿TiO₂展现出了明显的光谱吸收边缘红移. 这些计算结果表明Eu/N共掺杂锐钛矿TiO₂具有优良的光催化活性. 关键词： 2')" href="#">TiO₂ 共掺杂 可见光催化剂 密度泛函理论     

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.     

N掺杂和N-V共掺杂锐钛矿相TiO2的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的投影缀加平面波方法和广义梯度近似加Hubbard参数的似近,研究了锐钛矿相TiO₂,N掺杂TiO₂和N-V共掺杂TiO₂体系的基态原子构型、电子结构.结果表明,N掺杂后,其晶胞体积比末掺杂时要略微增大,基态构型并未发生明显变化,而N-V共掺杂时,对称性被破坏,V原子向N原子附近靠近.计算得到的锐钛矿相TiO₂带隙E_gap为3.256 eV,与实验值3.23 eV非常接近.N掺杂TiO₂带隙降低了0.4 eV,而N-V共掺杂带隙降低至2.555 eV.此外,N-V共掺杂会在价带顶和导带底之间形成受主和施主能级,这种能级对光生电子-空穴对的分离是非常有利的,降低了再次复合的概率.因此,N-V共掺杂TiO₂可以有效地提升TiO₂作为光催化剂的催化能力.     

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.     

(Nb,N)共掺杂锐钛矿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受到越来越多的关注.本研究采用密度泛函理论的第一性原理和广义梯度近似+U方法,对锐钛矿结构TiO₂晶体三种可能的（Nb,N）共掺杂TiO₂的几何结构、形成能、能带结构、电子密度和光吸收系数进行了研究,并与单掺杂（Nb/N）体系进行了对比.对掺杂后体系的几何结构进行的计算表明杂质原子掺入后晶格发生了不同程度的畸变.此外,（Nb,N）共掺杂体系与纯TiO₂相比,其禁带宽度和吸收边较小.同时,与N掺杂TiO₂相比,N的2p态在共掺杂情形下变为完全占据,从而减少了电子空穴对的复合.而且共掺杂体系的形成能比N单掺杂体系低,因而更加稳定.因此,（Nb,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.     

氮掺杂TiO2的冲击合成及可见光催化活性研究

 冲击相变及冲击诱导化学反应可导致材料的物理、化学性能发生显著改变。采用炸药爆轰驱动飞片高速碰撞产生冲击波的方法,对富氮掺杂物双氰胺（C₂N₄H₄）与P25 TiO₂或偏钛酸（H₂TiO₃）的粉末混合物进行冲击加载,对回收产物进行X射线粉末衍射、透射电子显微镜、X光电子能谱、比表面积及紫外-可见漫反射光谱表征,通过亚甲基蓝和罗丹明B评价了回收产物的可见光催化降解活性。结果表明：以P25 TiO₂为原料的冲击氮掺杂浓度可达8.88%,掺杂样品具有明显的可见光吸收,能带宽度减小到1.75 eV,样品中形成了少量Srilankite高压相;而以偏钛酸为原料的冲击氮掺杂浓度为3%～4%,能带宽度变化较小,但是由于其独特的冲击脱水膨胀机理,比表面积剧增。冲击氮掺杂样品对亚甲基蓝和罗丹明B染料有较好的吸附和可见光催化降解作用,其中高飞片速度处理的样品有更高的光催化降解活性。     

Mn/C共掺杂ZnS纳米管磁性质研究

采用第一性原理密度泛函理论系统地研究Mn原子单掺杂和双掺杂ZnS纳米管的结构、电子性质和磁性质.掺杂纳米管的形成能比纯纳米管形成能更低,表明掺杂是个放热过程.掺杂纳米管的能隙远小于纯纳米管能隙.计算结果表明Mn掺杂纳米管趋于反铁磁态.为了获得室温铁磁性,用一个C原子替代一个S原子.发现铁磁态能量比反铁磁态能量低0.454 eV.如此大的能量差表明这类材料中有可能获得室温铁磁性.     

镧掺杂对锐钛矿TiO2电子结构与光催化活性影响的第一性原理研究

基于DFT+U方法,对镧掺杂锐钛矿TiO₂及其氧空缺的稳定性以及对电子结构、光催化性质的性质进行了第一性原理研究．计算结果表明掺杂浓度和位置对结构稳定性的影响机制符合鲍林规则;结合晶体场理论和结构形变以及态密度的分析发现镧掺杂对带隙的调制不是通过掺杂带的引入,而是由结构形变决定．吸收光谱的模拟结果显示通过镧掺杂会提高可见光的吸收效率,和实验结果吻合．对氧空缺的后续研究表明氧空缺的存在会增强镧掺杂锐钛矿TiO₂的稳定性,提高其光催化活性．     

Mn,N共掺杂对锐钛矿相TiO2微观结构和性能的影响

采用第一性原理平面波超软赝势方法,系统研究了Mn,N共掺杂对锐钛矿相TiO₂的晶体结构、缺陷形成能、电子结构、光学性质以及氧化还原能力的影响.研究表明:Mn,N共掺杂锐钛矿相TiO₂后,TiO₂晶格发生了畸变,导致晶体八面体偶极矩增加,有利于光生电子-空穴对的有效分离;在TiO₂带隙中出现了杂质能级,使锐钛矿相TiO₂的光学吸收带边红移,可见光区的吸收系数明显增大,有利于光催化效率的提高;在不考虑 关键词： 2')" href="#">锐钛矿相TiO₂ 第一性原理 Mn和N共掺杂 光催化性能     

Sm-N共掺杂对锐钛矿相TiO2的电子结构和吸收光谱影响的第一性原理研究

采用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, 建立了N, Sm分别单掺杂以及Sm-N共掺杂的锐钛矿TiO₂超胞模型, 对其态密度、能带结构和吸收光谱进行了计算. 结果表明: N单掺杂的锐钛矿TiO₂的红移效果最强, 但Sm-N共掺杂锐钛矿TiO₂的载流子寿命更长, 且共掺杂形成的体系更加稳定.     

(Mo + N) codoped TiO2 for enhanced visible-light photoactivity

A series of Ti_1−xMo_xO_2−yN_y samples were prepared by using sol-gel method and characterized by X-ray diffraction, transmission electron microscopy and UV-vis absorption spectroscopy. All Ti_1−xMo_xO_2−yN_y samples are anatase phase. It is found that Mo, N mono-doping can increase visible light absorption, while (Mo + N) co-doping can greatly enhance absorption in whole visible region. Results of our first-principles band structure calculations reveal that (Mo + N)-doping, especially passivated co-doping can increase the up-limit of dopant concentration and create more impurity bands in the band gap of TiO₂, which leads to a greatly increase of its visible-light absorption without a decrease of its redox potential. It reveals that (Mo + N) co-doped TiO₂ is promising for a photocatalyst with high photocalystic activity under visible light.     

Surface effect of natural zeolite (clinoptilolite) on the photocatalytic activity of TiO2

The surface interaction between TiO₂ and natural zeolite, clinoptilolite, has been investigated by means of transmission electron microscope (TEM), atom force microscope (AFM), X-ray diffractometer (XRD), diffuse reflectance infrared Fourier transform (DRIFT) and far Fourier transform infrared ray (FTIR) spectroscopy. And the photocatalytic degradation (PCD) rate of methyl orange (MO), a model of recalcitrant azo dye, in aqueous system has been measured to compare the photocatalytic activities of different photocatalysts. A model has been carried out to explain the incorporation between TiO₂ particles and natural zeolite. The results show that the TiO₂ particles loaded on zeolite are 50 nm or so, smaller than the pure one, and combine with zeolite via chemical force. Since the reserved adsorption ability and the existence of electron trapper, the TiO₂-zeolite performed more efficient at low initial concentration and in the later period of PCD process, as compared with pure TiO₂ nanopowders.     

小型二氧化钛团簇(TiO2)n (n=2-8)的低能异构体研究

钛和氧之间存在多种成键方式,但迄今为止,二氧化钛团簇均只有少数几种异构体被报道. 与广泛使用的全局优化方法不同,本工作通过优化大量的随机初始结构,获得(TiO₂)_n (n=2-8)团簇稳定异构体. 首先利用PM6半经验方法对高达一万个以上的初始结构进行初步的优化筛选,并对筛选出的结构进行进一步的DFT计算以获得二氧化钛团簇的稳定异构体. 利用这种策略,发现了大量未经报道的稳定异构体,并提出了(TiO₂)₅和(TiO₂)₈新的最稳定异构体. 这些结构中包括含3个末端氧原子的异构体、含5配位氧原子和6配位钛原子的异构体等未经报道的新结构类型. 与丰富成键特征相对应,发现异构体数目随团簇尺寸的增大而急剧增加,对于(TiO₂)₇和(TiO₂)₈,能量在30 kcal/mol以内的异构体都在50个以上. 该工作发现了大量的二氧化钛小型团簇异构体,并凸显了其多样的结构特征,增进了对二氧化钛纳米团簇的结构、成键的理解,并为进一步的理论模拟、力场优化等提供了理论基础.     

N,Co共掺杂锐钛矿相YiO2光催化剂的第一性原理研究

采用第一性原理平面波超软赝势方法研究了N,Co共掺杂锐钛矿相TiO2的微观结构和光学性质.结果表明:N,Co共掺杂后TiO2晶格中产生的偶极矩使光生电子-空穴对更有效地分离;在TiO2导带和价带之间形成了新的杂质能级,一方面使吸收带边红移到可见光区,光吸收性能明显增强,另一方面有利于光生电子-空穴对的分离,提高TiO2的光量子效率;与纯TiO2相比,N,Co共掺杂锐钛矿相TiO2带边的氧化还原势只有微小的变化,共掺杂后TiO2的强氧化还原能力得以保持.     

Mechanism of enhanced photocatalysis of TiO2 by Fe in suspensions

In this work, the mechanism of enhanced photocatalysis of TiO₂ with Fe³⁺ was studied using Sulfadiazine (SD) as the model compound. Results indicated that degradation rate of SD was enhanced by the addition of Fe³⁺ in TiO₂ suspension. The crystalline structure of TiO₂ particles was stable in suspensions. The hydroxyl radical generated by TiO₂/Fe³⁺ (both TiO₂ and Fe³⁺) photocatalysis was in a higher yield. Moreover, Fe²⁺ was found not to give an obvious impact on the SD degradation in TiO₂ suspension, whereas Fe³⁺ had a notable effect. The adsorption amount of TiO₂ was greatly enhanced by the addition of Fe³⁺ in suspensions. Finally, an interaction model of SD degradation in TiO₂ suspension containing Fe³⁺ was also proposed by investigating of surface behaviors of TiO₂ particles. It will be beneficial to use Fe³⁺ as the electron acceptors on the surface of TiO₂ particles, which helps to improve the yield of hydroxyl radical.     

TiO,O2 和TiO2的分析势能函数及光谱研究

用Gaussian09程序包的密度泛函理论DFT方法,在BP86/6-311++g(d,p)水平上对O₂, TiO和TiO₂ 分子进行了优化.得到该系列分子的基态电子态分别为：O₂(X³Σ_g), TiO(X³Π_g), TiO₂(X¹ A₁), TiO₂分子的稳定构型为C_2v构型. 用Murrell-Sorbie势能函数对TiO和O₂分子的扫描势能点进行拟合, 其扫描点都与四参数Murrell-Sorbie函数拟合曲线符合得很好,在此基础上推导出它们的光谱数据和力常数. 用多体项展开理论导出TiO₂分子的全空间解析势能函数,在固定键角∠OTiO=110.5° 的情况下, R_Ti-O = 0.1652 nm处存在一个深度为15.09 eV的势阱, 表明在该处易形成稳定的TiO₂分子. 关键词： TiO 2和TiO₂')" href="#">O₂和TiO₂ 密度泛函理论 势能函数     

萤石结构TiO2的电子结构和光学性质

利用第一性原理计算了立方相萤石TiO₂的晶胞参数，能带结构和电子态密度.结果显示萤石TiO₂属于间接带隙半导体材料，其间接禁带宽度(Γ→X)E_g为2.07eV，比常见的金红石和锐钛矿TiO₂的禁带宽度窄.为了更清楚地了解萤石的光学性质，利用Kramers-Kronig色散关系，分别对萤石和金红石TiO₂的复介电常数、吸收率等参数进行了计算，并将二者结果做了     

萤石结构TiO2的电子结构和光学性质

利用第一性原理计算了立方相萤石TiO₂的晶胞参数,能带结构和电子态密度.结果显示萤石TiO₂属于间接带隙半导体材料,其间接禁带宽度(Γ→X)E_g为2.07eV,比常见的金红石和锐钛矿TiO₂的禁带宽度窄.为了更清楚地了解萤石的光学性质,利用Kramers-Kronig色散关系,分别对萤石和金红石TiO₂的复介电常数、吸收率等参数进行了计算,并将二者结果做了 关键词： 2')" href="#">萤石结构TiO₂ 密度泛函理论 能带结构 光学性质     

Photocatalytic Activity of N-doped TiO2 Photocatalysts Prepared from the Molecular Precursor (NH4)2TiO(C2O4)2

用不同温度控制分解草酸氧钛铵制备N掺杂TiO₂光催化剂．利用XRD、IR、热分析、N₂吸-脱附等温线、XPS、紫外可见漫反射光谱和SEM表征了N-TiO₂光催化剂的结构．400～600 oC焙烧的N-TiO₂光催化剂为纯锐钛矿相,而700 oC焙烧的N-TiO₂光催化剂为锐钛矿和金红石混合相．N掺杂在TiO₂的间隙位使锐钛矿相TiO₂带隙变窄．在光降解甲基橙的反应中,600和400 oC焙烧的N-TiO₂催化剂分别在紫外光和全波长光照射下有最好活性;700 oC焙烧的N-TiO₂催化剂无论在紫外光和全波长光下都表现出最好的比活性,即最高的光量子效率,这可以归因于700 oC焙烧的N-TiO₂光催化剂良好的结晶程度和锐钛矿-金红石异相结的存在．