TiO_2纳米材料的光催化及光伏特性研究

【摘要】随着世界经济的高速发展,人类面临着能源危机与环境污染的双重压力。自1972年日本科学家Fujishima等人发现了二氧化钛(TiO2)半导体的光催化现象以及1991年瑞士科学家Gratzel等人成功研制的第一块TiO2基染料敏化太阳能电池以来,TiO2纳米材料的光催化和光伏特性已被广泛的研究。然而,由于TiO2半导体的带隙较大,仅仅能吸收太阳光中5%的紫外光,而对大部分的可见光得不到很好的吸收,并且导带中的光生电子与价带中的空穴极易复合,从而导致它的光催化活性和光电转换效率不够高,这将严重限制了该材料在光催化和光伏领域中的广泛应用。因此,提高TiO2材料的光催化活性和光伏特性将成为本文研究的重要目标。本文采用基于平面波赝势方法的密度泛函理论(DFT),系统的研究了金属、金属与非金属、非金属与非金属元素对TiO2光催化材料的掺杂改性。并且在金属与非金属元素掺杂TiO2体系中,我们采用新颖的溶胶-凝胶溶剂热法制备了掺杂TiO2光催化剂以及表征了它的各种性能。另外,我们还采用类似的计算方法研究了染料敏化太阳能电池(DSSCs)中苯甲酸(BA)染料分子敏化TiO2光阳极的物理化学机制和光伏特性。研究获得的创新性成果如下：第一,在金属Ni掺杂TiO2体系中,我们的计算结果表明：Ni替位O掺杂的锐钛矿和金红石TiO2的禁带中出现了一系列的Ni3d杂质能级；对于富O生长条件下的Ni替位Ti掺杂锐钛矿TiO2,杂质Ni原子的3d电子态引起了体系的带隙减小。这些结果导致TiO2出现吸收光谱边缘红移和高效的可见光光催化活性。我们的理论结果首次揭示了人们在实验中观察到的Ni掺杂增强TiO2可见光光催化活性的物理化学起因。第二,为了研究金属与非金属掺杂TiO2的光催化活性,我们首次采用理论与实验结合的方式研究了Eu/Si共掺杂锐钛矿TiO2和Si&Fe共掺杂锐钛矿与金红石TiO2体系的光催化活性。研究结果表明：随着杂质Si的掺入,O2p态和Si3p态的杂化诱发了锐钛矿TiO2的带隙减小；Eu的掺入会使锐钛矿Ti02的禁带中产生Eu4f杂质能级；当Eu和Si共同掺入时,Eu和Si的协同效应会使得锐钛矿TiO2的带隙减小,并且在禁带中出现Eu4f的杂质能级,它们使得TiO2材料对紫外光和可见光的吸收能力同时增强,因而导致Eu/Si共掺杂锐钛矿TiO2具有高效的可见光光催化活性。而且我们认为：非金属Si的掺入具有抑制Eu掺杂锐钛矿TiO2体系中光生电子-空穴对复合的作用。对于Si&Fe共掺杂锐钛矿和金红石TiO2,随着Fe的掺入,TiO2的价带顶和导带底均出现了Fe3d杂质能级；Si和Fe的协同效应能使共掺杂TiO2的带隙减小,同时在它的价带顶和导带底也都出现Fe3d杂质能级,从而引起TiO2的吸收光谱边缘出现明显的红移现象,导致Si&Fe共掺杂TiO2具有很强的可见光光催化活性。我们的理论与实验结果吻合的很好,这些创新性的研究成果将进一步的推动了TiO2材料在光催化领域中的广泛应用。第三,为了研究非金属与非金属掺杂TiO2的光催化活性,我们系统的研究了C/B共掺杂锐钛矿和金红石TiO2的光催化活性。计算结果表明：C/B共掺杂能在锐钛矿TiO2体系的禁带中诱发出一些C2P和B2P的杂化态,并且带隙减小约0.8eV；在C/B共掺杂金红石TiO2中,C2P态、B2P态与价带之间会发生强烈的耦合作用,因而使得体系的带隙变窄。它们导致TiO2的光谱吸收边缘出现明显的红移现象以及降低光生电子-空穴对的复合率,从而增强了TiO2的光催化活性。此外,随着C/B杂质浓度的增大,C/B共掺杂TiO2的光吸收和光催化活性也逐渐的提高。这些理论研究首次揭示了科学家们在实验中观察到的C/B共掺杂增强TiO2光催化活性的物理化学机制。第四,为了研究BA染料分子敏化TiO2光阳极的敏化机制,我们借助于DFT计算获得了吸附BA染料分子的锐钛矿(101)和金红石(110)TiO2表面体系的最稳定吸附结构。BA染料分子中的O2P态与锐钛矿(101)Ti02表面中的O2p、Ti3d态间的杂化会引起吸附体系的价带顶出现上移,它导致了吸附BA染料分子的锐钛矿(101)TiO2表面体系的光吸收能力增强；在吸附BA染料分子的金红石(110)TiO2表面体系中,O2p、C2p和Ti3d间的强耦合作用诱发了体系的光谱吸收边缘出现红移现象,并且该吸附体系的吸收光谱在476.0nm和610.0nm处出现了两个强吸收峰。我们的计算结果表明：BA染料分子在TiO2表面的吸附行为能有效的增强DSSCs中TiO2光阳极的光伏特性,这将有助于提高TiO2-DSSCs的光电转换效率,以至于该光电池能够迅速的走向产业化市场。
【作者】林彦明；
【导师】姜振益；胡晓云；朱超原；
【作者基本信息】西北大学，凝聚态物理，2014，博士
【关键词】二氧化钛；掺杂；可见光光催化；电子结构；光伏特性；

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