论文摘要
NaTaO3作为一种新型的光催化剂,由于其良好的化学稳定性,耐光腐蚀性,无毒等特性近年来得到了国内外学者的广泛研究。但是由于NaTaO3禁带宽度大,催化活性低,限制了其进一步地应用。经过广泛深入的研究发现,掺杂是提高其催化活性和可见光响应性的有效方法之一。本文基于密度泛函理论,采用第一性原理模拟方法,研究了非金属元素B, C, N, F, S,金属元素Ca, Sr, Ba, Nb, Cr, La,Ir掺杂NaTaO3,分析了掺杂对NaTaO3几何结构,电子结构,和光学吸收谱以及催化剂催化活性的影响。1、本文首先简要介绍了在材料科学领域的计算机模拟技术,对其应用、发展进行了叙述。重点描述了第一性原理方法（First-principles Method）的基本原理、基本方法、取得的成果等。对其中的密度泛函理论（Density Functional Theory DFT）、局域密度近似（Local Density Approximation, LDA）、广义梯度近似（Generalized Gradient Approximation, GGA）等几个重要概念进行了简单说明。2、介绍了在理论模拟中用到的Castep软件包。利用软件包中的建模工具构建了NaTaO3超晶胞模型。基于密度泛函理论,采用广义梯度近似方法描述电子的交换-相关作用并对NaTaO3（?）勺晶胞进行结构优化,得到了最稳定的结构。随后,计算并得到NaTaO3晶胞的几何结构,电子结构和光学吸收谱。3、在优化后得到稳定结构的基础上,对超晶胞进行掺杂。采用广义梯度近似方法描述电子的交换-相关作用并对掺杂后NaTaO3的晶胞进行结构优化,计算并得到掺杂NaTaO3晶胞的几何结构,电子结构,和光学吸收谱。计算发现,非金属元素B, C, N, F, S,过渡金属元素Nb, Cr, Ir掺杂对NaTaO3的几何结构,电子结构和光学吸收谱均有显著地影响。4、结合实验上获得催化反应相关数据,分析了杂质能级位置与形态对NaTaO3光吸收以及光催化效果的影响,认为：（1）当杂质能级位于价带顶与02p轨道杂化或位于导带底与Ta5d轨道杂化时,能有效减小NaTaO3的禁带宽度,从而使NaTaO3的吸收带边向长波长方向移动,形成对可见光的吸收。同时在禁带中间,由于没有杂质能级的存在,因此不会造成淬灭中心,可以有效提高光催化性能。（2）当杂质能级与02s轨道能量相近,对称性匹配时,会在价带以下与02s轨道发生杂化,使得杂质原子与周围的O原子共价键增强,晶胞内应力增大,进而会使得NaTaO3晶体颗粒尺寸减小,并在表面形成台阶状结构。这种催化剂结构上的改变,使得催化剂活性显著增加。