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《内蒙古大学》 2018年
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铌钽酸盐光催化剂的设计与位点选择性掺杂研究

宋燕勇  
【摘要】:目前,全球性的能源短缺和环境污染问题正在成为人类社会长期发展日益严重的威胁。政府和科学家们正试图将绿色技术作为解决上述问题的可持续方法。在潜在的解决方案中,基于半导体的光催化技术有着不可估量的优势,它是一种经济、清洁、可再生、安全的技术。现阶段的光催化剂研究中,纵然多种催化剂已被应用,但是任然有很多低效的光催化剂和未知区域有待开发拓展。而基于密度泛函的理论计算现阶段已发展较为成熟,可以通过模拟计算去实现实验现象的解释、实验可行性的推测以及实验效果的预计。因此,本文基于密度泛函理论,以钽酸盐和铌酸盐为主题展开,从催化剂的本身性质和掺杂改性的设计思路出发讨论了催化剂的预期性能。1、在固态熔融法1050℃条件下合成纯相的InNbO_4,并对其使用态密度泛函理论进行了计算。考虑了三种InNbO_4的本征缺陷,两种氧缺陷和间隙添加In原子的缺陷,其中O_1缺陷结构最稳定。由于本征缺陷,在它的晶相生成中同时存在着两种不同导电类型的晶胞。经过表面能分析,它们的稳定次序为{011}{111}{200},其中{111}面的电子比较容易转移。我们在这三个表面分别进行了In、Nb、O顶位的甲醛分子吸附,经过原子吸附能对比,发现都是物理吸附,且{011}的吸附性较好。2、基于密度泛函理论,我们计算了InNbO_4不同位点掺杂Fe、La对体系能量、电子结构和氧化还原性质的影响。结果表明,Fe、La掺杂都是优先进入空间较大的In位。Fe和La原子共掺杂InNbO_4时,Fe原子和La原子之间有电子交换,这表明La和Fe掺杂物之间存在协同作用。在Fe和La共掺杂的协调作用下,可以实现催化剂氧化和还原性特异性的调节,从而使光吸收范围增大,可见光催化活性增强。3、我们对过渡态元素M(M=Sc,Ti,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni)掺杂InTaO_4进行了一系列计算,结果表明,过渡元素掺杂后的晶胞体积依次减小,最后Ni掺杂的晶胞体积达到最小。对掺杂稳定性考察发现,稳定性的次序从低到高依次为:CoNiScFeMnTiVCr。由于d电子数的增加,它们的价带基本是在依次增大,而导带则是先有一个减小的趋势然后在Mn、Fe、Ni的掺杂中增大。在光吸收中,Mn和Fe的掺杂模型在紫外区对光吸收较好,而在可见区,则Ni的掺杂效果最好。4、通过密度泛函理论模拟了Eu~(3+)掺杂Na TaO_3不同的模型。通过Eu~(3+)离子在不同位点的选择,实现了氧化还原不同程度的提高。我们构建了三种不同的Na/Ta比率模型的NaTaO_3。结果表明,在非化学计量比Na/Ta摩尔比较低的情况下,Eu~(3+)离子掺杂使得电子态向低能量方向移动。随着Na/Ta摩尔比的增加,NaTaO_3的导带中电子态的密度明显增加,导致载流子迁移速率增加,从而提高了光催化活性。
【学位授予单位】:内蒙古大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:O643.36;O644.1

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