贵金属掺杂及其与氮共掺杂锐钛矿相TiO2的第一性原理研究

• 作 者: 龚昌杰
• 机 构: 云南大学
• 出 处: 云南大学
• 发表日期: 2011年期
• 关键词: 锐钛矿相 二氧化钛 贵金属离子掺杂 第一性原理 光催化性能 晶体结构 密度泛函

半导体光催化技术在再生能源和环境治理方面有广泛的研究和巨大的应用前景。TiO2光催化剂具有光催化活性高、化学稳定性好、来源丰富、对环境无毒副作用等优点而倍受关注和青睐。但锐钛矿相Ti02的带隙高达3.23 eV,只能响应波长小于384 nm、能量约为太阳光能4％的紫外光激发,约占太阳光能45％的可见光却无法得到有效利用。另一方面,TiO2受光激发产生的光生电子-空穴对复合几率高,导致量子产率低,从而降低其光催化活性。　　
本文采用基于密度泛函理论的第一性原理方法计算了贵金属离子单掺杂以及不同贵金属离子分别与N离子共掺杂锐钛矿相TiO2的晶体结构、电子结构及光学性质,并结合文献报道的实验结果进行对比,分析阐明贵金属离子单掺杂以及不同贵金属离子分别与N离子共掺杂TiO2在可见光照射下影响光催化活性的机理。基于理论计算,本文得到了以下结果:　　
1、在晶体结构方面,与纯TiO2相比,贵金属离子单掺杂以及不同贵金属离子分别与N离子共掺杂后TiO2的晶格常数、原子间的键长和原子周围的电荷都发生了变化,掺杂TiO2晶格产生畸变,八面体的偶极矩增加,从而有利于光生电子-空穴对的分离,提高了TiO2的光催化性能。　　
2、在电子结构方面,贵金属离子单掺杂以及不同贵金属离子分别与N离子共掺杂在TiO2的价带上方或导带下方引入了杂质能级,这些杂质能级可以作为浅受主能级或浅施主能级,成为光生空穴或光生电子的有效俘获陷阱,有利于光生电子和空穴的分离,提高Ti02光催化剂的量子效率。　　
3、在光学性质方面,由于掺杂在TiO2的禁带中形成了新的杂质能级,使得TiO2的带隙变窄,吸收带边红移到可见光区,大大提高对太阳光能的利用率。　　
4、在氧化还原能力方面,与纯TiO2相比,贵金属离子单掺杂以及不同贵金属离子分别与N离子共掺杂对TiO2带边位置的改变不大,离子掺杂的TiO2光催化剂在实现可见光响应的同时,保持了其原有的强氧化还原能力。　　
论文的创新点主要为:与文献报道的主要是从实验上研究贵金属表面修饰掺杂TiO2不同,本文从理论上计算分析了贵金属离子掺杂TiO2的微观结构及光学性质,并阐明不同贵金属离子单掺杂及其与N共掺杂对TiO2光催化性能的影响及机理,为相应的实验制备及性能研究提供理论指导,避免了实验研究中的盲目性和重复性。