掺杂锐钛矿型二氧化钛光催化性能的第一性原理计算

论文摘要

二氧化钛是作为一种氧化物半导体材料,有着很广泛的实际应用价值。其优点为：原料产地广且多,物质本身有很强的稳定性、光催化活性并且对人体无伤害,使其在光催化材料制备方面受到人们的青睐。在太阳能的储存和利用、空气净化以及杀菌、光化学转换、废水处理、贵金属回收和防雾、自洁表面等方面的有着广泛应用。但是,TiO2也拥有致命的光催化的缺陷,也就是产生的电子-空穴对容易复合,使其光催化活性受到限制。为了提高其光催化活性,也就是减少电子-空穴对的复合,本论文通过第一性原理的密度泛函数理论,采用掺杂改性的方法分别就非金属元素、过渡金属元素、浓度进行单因素实验计算,最终得出过渡金属元素与非金属元素共掺杂锐钛矿型Ti02的最优浓度。计算发现：典型非金属元素掺入TiO2中,N元素为最佳掺入元素,同时其浓度为掺N4×1×1超晶胞时为最佳浓度,禁带宽度为1.592eV,光响应范围扩展为537nm；过渡金属元素掺入TiO2中,Cu元素为最佳掺入元素,其浓度为掺Cu4×1×1超晶胞时为最佳浓度,禁带宽度为1.14ev。并且TiO2晶胞中产生了晶格畸变,形成氧空缺,能更好的捕获光电子；最终得出N-Cu共掺4×1×1超晶胞为最优掺杂方式,其禁带宽度为1.083ev,同时兼有掺N的紫外光区域吸收特性和掺Cu的氧空位机制,大大提高了TiO2的光催化综合性能,光响应范围扩展为678nm,为实际锐钛矿型TiO2掺杂改性提供了理论设计。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 2的晶体结构'>1.1.1 TiO₂的晶体结构
• 2的应用'>1.1.2 TiO₂的应用
• 1.2 光催化反应的主要理论
• 1.2.1 半导体能带理论
• 1.2.2 电子、空穴的捕获
• 1.3 影响光催化反应的各种因素
• 1.3.1 晶体结构的影响
• 1.3.2 粒径大小的影响
• 1.3.3 表面形态的影响
• 1.3.4 光强度的影响
• 1.3.5 PH值的影响
• 1.4 提高光催化反应的途径
• 2'>1.4.1 金属元素掺入TiO₂
• 2'>1.4.2 非金属元素掺入TiO₂
• 1.5 课题的提出
• 第二章 理论基础及实验设计思路
• 2.1 晶体学简介
• 2.1.1 晶体的特征和空间点阵
• 2.1.2 晶胞与原胞
• 2.2 第一性原理简介
• 2.2.1 基本解释
• 2.2.2 全电子法和赝势法
• 2.2.3 线性缀加平面波方法
• 2.2.4 能带理论
• 2.2.5 几种常用程序
• 2.3 课题研究思路
• 2'>第三章 非金属元素掺杂锐钛矿型TiO₂
• 3.1 引言
• 3.2 模型的建立
• 3.2.1 晶胞及原胞的建立
• 3.2.2 原胞的几何优化
• 3.2.3 超晶胞的建立
• 3.3 非金属元素掺入原胞
• 3.3.1 原胞掺杂
• 2中的氧计算'>3.3.2 氮元素置换TiO₂中的氧计算
• 3.4 能带分析
• 3.5 态密度分析
• 3.6 结论
• 2'>第四章 金属元素掺杂锐钛矿型TiO₂
• 4.1 引言
• 4.2 模型的建立
• 4.3 金属元素掺入原胞
• 4.3.1 原胞掺杂
• 2原胞中的钛原子计算'>4.3.2 铜原子置换TiO₂原胞中的钛原子计算
• 4.4 能带分析
• 2原胞前后的能带分析'>4.4.1 铜置换TiO₂原胞前后的能带分析
• 4.4.2 不同浓度的掺铜超晶胞能带分析
• 4.5 态密度分析
• 4.5.1 原胞掺铜前后态密度分析
• 4.5.2 不同掺铜浓度的态密度分析
• 4.6 结论
• 2最佳浓度分析'>第五章 N-Cu共掺锐钛矿型TiO₂最佳浓度分析
• 5.1 引言
• 5.2 模型的建立与计算
• 5.3 最佳共掺浓度的能带及态密度分析
• 5.4 结论
• 第六章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录:硕士期间发表的论文