摻雜二氧化鈦可見光催化活性的密度泛函研究.pdf

1、二氧化鈦(TiO2)由于具有高氧化能力、良好的化學穩(wěn)定性、無毒性以及制備成本低廉等獨特的優(yōu)勢，被認為是一種極具應用前景的環(huán)境友好型光催化材料。然而，寬帶隙的TiO2只能吸收太陽光中的紫外光，而對占太陽光能43％的可見光卻沒有響應能力。為提高TiO2對可見光的利用率及其光催化活性，本文采用基于密度泛函理論的第一性原理計算方法，對Bi/N、S/Ce、Si/S共摻雜TiO2，以及含氧空位(OⅤ)的Bi和Ce摻雜TiO2體系的電子與能帶結構及光

2、學性質進行了系統(tǒng)研究。
　　主要的研究工作和結論如下:
　　(1)系統(tǒng)研究了Bi/N共摻雜銳鈦礦相和金紅石相TiO2的晶體結構、電子能帶結構和光學性質。結果表明:Bi/N共摻雜銳鈦礦相和金紅石相TiO2均表現出顯著的可見光吸收增強效果，其能帶帶邊具有良好的氧化-還原能力。其中，Bi/N共摻雜銳鈦礦相TiO2無論在紫外光區(qū)還是在可見光區(qū)的光吸收強度均明顯高于純TiO2以及Bi和N單摻雜的銳鈦礦相TiO2;而Bi/N共摻雜金紅石

3、相TiO2則在400～471.6nm波長范圍內，表現出高于純金紅石相TiO2以及Bi和N單摻雜金紅石相TiO2的光吸收強度。此外，在Bi/N摻濃度相同的條件下，相比于Bi/N共摻雜銳鈦礦相TiO2體系，Bi/N共摻雜金紅石相TiO2表現出更高的可見光吸強度。
　　(2)研究了含OV缺陷與Bi摻雜銳鈦礦相TiO2的電子能帶結構和光學性質。結果表明:Bi摻雜銳鈦礦相TiO2中進一步引入OV后，體系的帶隙寬度雖有所收縮，但仍然大于純銳鈦

4、礦相TiO2的帶隙寬度，因而其光吸收譜發(fā)生顯著的藍移。另一方面，TiO2的導帶底出現一淺的施主能級，而且費米能級穿過導帶底，從而導致Bi/OV共摻雜銳鈦礦相TiO2在460nm以上的可見光區(qū)，顯示出遠高于純TiO2和Bi單摻雜銳鈦礦相TiO2的光吸收強度;同時，在Bi與OV的協(xié)同作用下，TiO2的導帶帶邊形成了更強的還原能力。
　　(3)研究了Bi摻雜濃度對金紅石相Ti1-xBixO2的電子能帶結構和光吸收性質的影響。結果表明:B

5、i單摻雜的金紅石相TiO2盡管帶隙發(fā)生了明顯寬化，但摻雜體系在400～600nm可見光區(qū)的光吸收強度卻明顯高于純TiO2。隨著Bi摻雜濃度降低，Ti1-xBixO2帶隙寬度顯著減小，導致雜質能級與導帶底的交疊逐漸分離，從而形成孤立的中間能級。當Bi摻雜濃度降低時，Ti1-xBixO2在可見光區(qū)的光吸收強度呈現出不斷衰減的趨勢;而在514.9nm以上的可見光區(qū)，更低濃度的Bi摻雜反而導致更高的吸收能力，這種增強的可見光吸收能力可歸因為此時

6、禁帶中形成的間隙態(tài)作用。
　　(4)構建了兩種S和Ce共摻雜銳鈦礦相TiO2超胞體系，一種為陰離子與陽離子共摻雜體系，另一種為雙陽離子共摻雜體系。結果表明:兩種S/Ce共摻雜銳鈦礦相TiO2體系均顯示出強烈的可見光吸收響應，同時能帶邊呈現優(yōu)異的氧化還原能力。摻雜濃度研究發(fā)現:陰離子與陽離子共摻雜的TiO2在可見光區(qū)的光吸收強度，隨著S/Ce共摻雜濃度的增加而不斷增強。同時，對含OV缺陷的Ce摻雜銳鈦礦相TiO2的電子能帶結構和光吸

7、收譜進行了初步的探討。結果發(fā)現:在OV缺陷與Ce離子的協(xié)同作用下，TiO2的帶隙寬度出現了明顯的窄化;并且導致TiO2的可見光吸收強在Ce單摻的基礎上有了進一步的增強。
　　(5)系統(tǒng)研究了Si/S共摻雜銳鈦礦相TiO2的晶體結構、缺陷形成能、電子能帶結構和光學性質。結果表明:Si/S共摻雜TiO2在可見光區(qū)的光吸收能力明顯高于純的TiO2、Si單摻雜和S單摻雜TiO2，且隨著S摻雜濃度的增加，Si/S共摻雜TiO2帶隙中的雜質能