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Mn、Ni、P和B掺杂锐钛矿相TiO_2的第一性原理研究

冯锐  
【摘要】:TiO2由于具有良好的化学物理性质而成为理想的光催化剂材料,引起了广泛的关注。作为一种宽禁带的半导体氧化物,锐钛矿相Ti02只有在紫外光激发下才能具有光催化活性,因此对TiO2进行改性,开发能被可见光激发的TiO2是当前光催化研究领域极具挑战的课题。离子掺杂是一种有效可行的提高TiO2在可见光下光催化活性的方法。与实验研究相比,由计算机模拟而进行的理论计算分析可以克服实验因素的影响、澄清离子掺杂对其晶体结构及电子结构的影响,因此更有利于深入分析离子掺杂改性的机理。本文采用基于密度泛函理论的第一性原理方法对不同离子体系(Mn离子、Ni离子、B离子及P离子)掺杂锐钛矿相TiO2进行了理论计算,并与文献中报道的实验结果进行对比,阐明了离子掺杂的TiO2在可见光照射下具有比纯TiO2更高的光催化活性的原因。得到的主要结论如下: 1、纯锐钛矿相TiO2的理论计算结果与实验测量结果符合得很好,证明所采用的计算方法和计算模型是合理的、可行的,所得到的计算结果是可信的。 2、几种离子掺杂改变了TiO2的能带结构,由掺杂离子的外层价电子态与O的2p电子态或Ti的3d电子态杂化而在禁带中形成杂质能级,从而使TiO2的光谱响应范围向可见光区拓展。杂质能级在禁带中的位置不同,对TiO2光催化性能的影响也将不同。 3、B取代Ti的掺杂在禁带中没有形成杂质能级且禁带宽度略有减小。Mn取代Ti、Ni取代Ti、Ni取代O和B取代O的掺杂中杂质能级位于禁带中间,形成孤立的中间能级。


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