銳鈦礦TiO2光學性質的摻雜改性研究.pdf

1、由于無毒、穩(wěn)定、強氧性以及良好的光催化性能等優(yōu)點,在近年來TiO2材料得到了廣泛研究。銳鈦礦TiO2光催化材料的禁帶寬度為3.2 eV,只有在紫外光的作用下才能顯示出明顯的活性,而地球表面太陽光譜中,紫外光大約占5％,嚴重地影響了TiO2光催化材料、基于TiO2染料敏化太陽能電池的應用。因此,有效地利用可見光,拓寬TiO2應用范圍,改善其在可見光譜的吸收,使光吸收邊向可見光區(qū)發(fā)生較大的紅移,增強TiO2光催化材料在可見光區(qū)的光催化性能,

2、是TiO2光催化材料的主要研究方向之一。本文針對目前TiO2光催化材料改性研究中的一些難點,借助計算機模擬了不同的非金屬和過渡金屬元素摻雜對銳鈦礦相TiO2電子結構和光學性能的影響,得到最佳的非金屬和金屬光學性質改性元素,然后對最佳非金屬和金屬摻雜元素進行組合,共同摻雜進而增強銳鈦礦TiO2在可見光區(qū)的吸收。本文工作運用第一性密度泛函理論平面波贗勢方法,對非金屬元素C、N、F和金屬元素Cr、Cu、Zn、V、Sc分別摻雜以及C、Cu共摻雜

3、銳鈦礦相TiO2的電子結構和光學性質進行了計算和分析。
　　 第一章綜述了TiO2的分類、現(xiàn)狀以及研究意義,著重介紹了TiO2光催化材料光學性質的各種改性方式,論述了本論文的選題目的和意義。
　　 第二章系統(tǒng)論述了第一性原理密度泛函理論和計算方法。介紹了局域密度近似和廣義梯度近似;對密度泛函理論的數(shù)值計算方法如線性組合原子軌道法和贗勢方法做了說明;對常用的第一性原理軟件Gaussian、Material Studio、V

4、ASP、WIEN、PWSCF、SIESTA、ADF、ABINIT、CPMD、Octopus做了簡要介紹,對CASTEP軟件的使用進行了詳細說明。
　　 第三章采用非金屬元素C、N、F分別摻雜銳鈦礦相TiO2,對其能帶結構、態(tài)密度、電荷密度和光學性質進行了計算分析。計算結果表明,C/N摻雜銳鈦礦相TiO2屬于受主摻雜,C/N的2p態(tài)與O的2p態(tài)、Ti3d態(tài)雜化形成雜質能級,光學帶隙變窄,光吸收邊紅移到可見光區(qū);F摻雜銳鈦礦相TiO

5、2屬于施主摻雜,由于F的負電性較強,能級較低,使得價帶下移,光學帶隙變寬,導致?lián)诫s后光吸收邊發(fā)生微弱藍移;三種非金屬摻雜元素中以C摻雜銳鈦礦TiO2光學改性效果最佳。
　　 第四章采用金屬元素Cr、Cu、Zn、V、Sc分別摻雜銳鈦礦相TiO2,對其能帶結構、態(tài)密度、電荷差分密度和光學性質進行了計算分析。計算結果表明,Cr摻雜銳鈦礦相TiO2屬于電子摻雜,Cr的3d態(tài)電子形成施主雜質能級,導致?lián)诫s后的TiO2的禁帶寬度變窄,光吸收

6、曲線紅移到可見光區(qū);Cu摻雜銳鈦礦相TiO2屬于空穴摻雜,這部分空穴態(tài)來自于O的2p態(tài),空穴態(tài)在帶隙中間形成受主雜質能級,光學帶隙減小,光吸收邊紅移到可見光區(qū);Zn摻雜銳鈦礦相TiO2屬于受主摻雜,摻雜Zn后O2p態(tài)和Ti3d態(tài)之間的光學帶隙和未摻雜時相比沒有大的改變,因此Zn摻雜銳鈦礦TiO2后光吸收邊基本保持不變;V摻雜銳鈦礦相TiO2屬于施主摻雜,并在帶隙中間引入了雜質能級,光學帶隙減小,使得摻雜后銳鈦礦TiO2光吸收邊發(fā)生紅移;

7、Sc摻雜銳鈦礦相TiO2屬于受主摻雜,摻雜后的TiO2的禁帶寬度沒有發(fā)生大的變化,光吸收邊基本不變。五種金屬摻雜銳鈦礦TiO2的元素中以Cu摻雜光學改性效果最佳。
　　 第五章運用C、Cu共摻雜銳鈦礦相TiO2,對其能帶結構、態(tài)密度、電荷密度和光學性質進行了計算分析。計算結果表明C、Cu共摻雜屬于受主摻雜,C的2p態(tài)在帶隙中間引入了3條雜質能級,Cu由于本身3d態(tài)能量較低,所以在其周圍O的2p態(tài)上留下空穴,在帶隙中間引入了一條O