氮和硫?qū)僭毓矒诫sTiO2的第一性原理研究.pdf

1、近年來,由于環(huán)境污染和能源危機(jī)的問題,制約經(jīng)濟(jì)和社會的發(fā)展。TiO2作為光催化劑,以其化學(xué)穩(wěn)定性好,無毒,成本低,不產(chǎn)生二次污染等優(yōu)點而受到人們的關(guān)注。但是TiO2的帶隙寬(Eg~3.0-3.2 eV),太陽光利用率低,因此應(yīng)用范圍受到許多限制。
　　基于密度泛函的第一性原理超軟贗勢方法,本文采用了VASP計算軟件系統(tǒng)地研究了N和硫?qū)僭毓矒诫s銳鈦礦和金紅石TiO2的電子性質(zhì)。在摻雜體系中,N元素取代O原子和硫?qū)僭厝〈鶲和Ti原

2、子。建立2×2×2的超晶胞結(jié)構(gòu)模型,然后分析摻雜TiO2的晶體幾何優(yōu)化,取代能,能帶結(jié)構(gòu),態(tài)密度圖和Bader電荷分析等對光催化性能的影響,為實驗研究提供深入的理論指導(dǎo)。
　　(1)經(jīng)過幾何結(jié)構(gòu)優(yōu)化可以看出,由于摻雜元素的原子半徑不同,晶胞參數(shù)發(fā)生了變化,導(dǎo)致了不同的晶格畸變和體積膨脹。
　　(2)從取代能結(jié)果可以看出,N和硫?qū)僭負(fù)诫s金紅石TiO2時,N的單取代能最小,Te的單取代能和N/Te的共摻雜取代能最高。N和硫?qū)僭?/p>

3、素?fù)诫s銳鈦礦TiO2時,硫?qū)僭厝〈鶷i原子后與N的協(xié)同作用不如硫?qū)僭厝〈鶲原子后表現(xiàn)得理想。這是由于摻雜原子半徑的不同,引起原子間的相互作用力不同,進(jìn)入晶格中需要不同的能量。
　　(3)從能帶圖和態(tài)密度圖可以看出,TiO2能帶結(jié)構(gòu)中引入了雜質(zhì)能級,使得禁帶寬度減小。雜質(zhì)能級是由N2p,S3p,Se4p和Te5p軌道組成互相雜化在一起。硫?qū)僭靥鎿QTi原子后,導(dǎo)帶主要是有Ti3d軌道占據(jù),與雜質(zhì)能級形成了S3p(Se4p或Te5

4、p)-N2p-Ti3d混合態(tài)。同時由于自旋極化產(chǎn)生了局域隙態(tài)和共摻雜時在帶邊引入了擴(kuò)展態(tài),有利于提高光催化活性。
　　(4)由Bader電荷分析可知,當(dāng)N和硫?qū)僭靥鎿QO原子,電子轉(zhuǎn)移從N元素到硫?qū)僭?。?dāng)N取代O原子和硫?qū)僭靥鎿QTi原子,電子轉(zhuǎn)移從硫?qū)僭氐絅元素。
　　在N和硫?qū)僭毓矒诫s金紅石和銳鈦礦TiO2體系中,通過摻雜可以降低電子-空穴對的復(fù)合速率,電子在價帶(導(dǎo)帶)和雜質(zhì)態(tài)之間的躍遷更容易。因此能夠更好的在可