3d过渡金属掺杂锐钛矿相TiO2的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的平面波超软赝势方法研究了纯锐钛矿相TiO₂及掺杂3d过渡金属TiO₂的几何、电子结构及光学性质. 计算结果表明掺杂能级的形成主要是掺杂过渡金属3d轨道的贡献，掺杂能级在禁带中的位置是决定TiO₂吸收带边能否出现红移的重要因素. Cr，Mn，Fe，Ni，Co，Cu掺杂使TiO₂的吸收带边产生红移，并在可见光区有一定的吸收系数； Sc，Zn掺杂使TiO₂的吸收带边产生蓝移，但在可见光区有较大的吸收系数；掺V不但使TiO₂的吸收带边产生红移，增强了在紫外光区的光吸收，而且在可见光区有非常大的吸收系数.     

TiO_2晶型及其相变的高温拉曼光谱研究

本文测量了锐钛矿型和金红石型TiO2常温至1923K的高温拉曼光谱,观察了锐钛矿型TiO2在1373K～1473K间发生相变,不可逆转化为金红石型TiO2,分析了特征峰随温度变化的规律以及两种结构相的温度依赖性。并为不同晶型TiO2的研究、生产和应用提供重要的实验依据。     

纳米二氧化钛粉末的溶胶-凝胶法合成及晶相转化

Nanosized TiO₂ powder with anatase and rutile structures was synthesized by a sol-gel method using TiCl₄ ethanol solution as a precursor.The grain size of TiO₂ powder was about 63nm after the precursor was calcined at 600℃ for 2 hours .The experimental techniques of XRD,TEM and Particle Distribution were used to characterize the synthesized specimens. Various special effects were investigated for their contribution to crystal structure and the size of TiO₂ powder .The formation of anatase as well as the rutile phase of TiO₂ was indicted from the XRD when the reaction temperature was above 30℃ and when the sol was irradiated by infrared rays .However, an anatase TiO₂ powder formed after the heat treatment of the dried gel in a temperature range from 300℃ to 500℃.Under the vacuum drying and with the calcined time below 3hours ,the anatase phase was gained .As well as with the increase of gelatinizing time, the anatase TiO₂ powder was obtained.     

不同形貌TiO2的水热合成及对苯酚的降解研究

采用水热合成法, 通过对溶液的pH值、反应物配比、陈化温度及陈化时间等条件的控制, 合成出不同晶型及形貌的TiO2纳米粒子. 结果表明, 溶液的pH＝11, n(钛酸丁酯):n(三乙醇胺)＝1:2, 陈化温度为150 ℃, 陈化时间为48 h时, 能得到较规则的、长径比约为4:1的棒状TiO2. 当溶液pH<10时, 得到球形的TiO2纳米粒子; 陈化时间为24 h时, 得到纺锤形TiO2纳米晶. 以上合成的纳米粒子均为锐钛矿型, 但当溶液的pH>12时, 则得到板钛矿型TiO2粒子. 以苯酚为降解模型, 考察了不同形貌TiO2的光催化活性.     

水相一步合成锐钛矿型二氧化钛空心球

报道了水相一步直接合成晶体TiO2空心球的方法. 以水溶性的过氧化钛配合物(peroxo-titanium complex, PTC)为前驱体、聚苯乙烯(polystyrene, PS)球为模板, 在水溶液体系中可直接制备得到锐钛矿型纳米TiO2空心球. 与传统的模板法相比, 模板的包覆、去除及TiO2壳层的晶化等步骤在水相中可一步完成. 利用透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)及热重分析仪(TGA)对所合成的纳米TiO2空心球进行了表征, 同时推断了可能的反应机理.     

La2O3掺杂低温合成介孔锐钛矿相二氧化钛

采用非离子型表面活性剂EO20PO70EO20(P123)为模板剂,钛酸丁酯为钛源,La2O3为促进剂,无水乙醇为萃取剂,使用溶胶-凝胶法合成了具有锐钛矿相介孔结构和高比表面积的纳米TiO2.XRD,BET,IR和HRTEM等表征表明,La2O3的掺杂量对TiO2锐钛矿相的形成具有明显影响,当La2O3掺杂量为0.1%(摩尔分数)时,合成的TiO2锐钛矿相晶型最好,且为介孔结构,孔径大小均一,比表面积达到367.7 m2·g-1.     

光沉积Ru和RuO2的锐钛矿TiO2纳米片的光解水产氧

采用水热法以HF作为结构调控剂合成了主要暴露（001）面的锐钛矿TiO₂纳米片,通过光沉积方法分别合成了负载Ru和RuO₂物种的光催化剂。利用X射线衍射、透射电镜和氢气程序升温还原等分析表征了催化剂的结构性质。通过光解水产氧反应来研究催化剂的催化性能,详细考察了Ru含量、负载方式以及氧化和还原处理等因素的影响,光解水产氧速率的差异证明了Ru物种在不同晶面的电荷-空穴分离效应。与负载单一助催化剂的Ru/TiO₂和RuO₂/TiO₂样品相比,活性最优的0.5%Ru-1.0%RuO₂/TiO₂样品由于负载了双助催化剂,其催化活性得到更大的提高,证实了在锐钛矿TiO₂上的晶面电荷-空穴分离效应.     

稀土(La/Ce/Pr/Nd)掺杂锐钛矿相TiO_2磁性及光催化活性的第一性原理研究

采用密度泛函理论下的平面波赝势方法,建立了未掺杂锐钛矿TiO_2和La/Ce/Pr/Nd单掺杂的锐钛矿TiO_2模型.几何优化后,通过计算形成能分析了掺杂结构的稳定性;通过自旋电子态密度的计算分析了各个掺杂模型的磁性状态,并采用比较磁性基态能量的方法对分析结果加以验证;讨论了各稀土元素掺杂对锐钛矿能带结构和吸收光谱的影响.结果表明:La/Pr掺杂的锐钛矿TiO_2具有亚铁磁性,Nd掺杂的锐钛矿具有反铁磁性,Ce掺杂锐钛矿为顺磁体;Ce掺杂对锐钛矿能带结构影响较小,吸收光谱红移不明显,而La/Nd掺杂则能有效提升锐钛矿对可见光的吸收系数,Pr掺杂能使锐钛矿TiO_2在红外光区出现吸收峰.     

高氧空位简并锐钛矿TiO2半导体电子寿命的第一性原理研究

为了研究锐钛矿TiO2晶体中高氧空位浓度对电子寿命的影响,利用基于局域密度泛函理论框架下的广义梯度近似平面波超软赝势方法,用第一性原理对含高氧空位浓度的锐钛矿TiO2晶体进行了结构优化处理、能带分布和态密度分布计算,表明在温度一定和高氧空位浓度的条件下,锐钛矿TiO2的电子寿命随氧空位浓度的增大而减小;电子浓度的大小对电子寿命无影响.同时,锐钛矿TiO2晶体中高氧空位浓度时,发现有莫特相变的现象.     

C掺杂锐钛矿相TiO2吸收光谱的第一性原理研究

运用第一性原理,对C掺杂锐钛矿相TiO₂的电子结构进行了研究,从能带结构理论解释了C掺杂TiO₂吸收光谱的一些实验现象.发现在C掺杂后的锐钛矿相TiO₂的禁带宽度增大,并且在带隙中出现了杂质能级,这些杂质能级主要是由C 2p轨道上的电子构成的,它们之间是独立的,正是这些独立的杂质能级使TiO₂掺杂后可以发生可见光响应.价带上的电子可以吸收一定能量的光子跃迁到杂质能级,而杂质能级上的电子也可以吸收一定能量的光子跃迁到导带,所以从理论上可以计算出掺杂后的TiO₂在可见光范围内存在两个吸收边,与实验中所得到的现象相一致.