氮和硫属元素共掺杂TiO_2的第一性原理研究

【摘要】近年来，由于环境污染和能源危机的问题，制约经济和社会的发展。TiO2作为光催化剂，以其化学稳定性好，无毒，成本低，不产生二次污染等优点而受到人们的关注。但是TiO2的带隙宽（Eg～3.0-3.2eV），太阳光利用率低，因此应用范围受到许多限制。基于密度泛函的第一性原理超软赝势方法，本文采用了VASP计算软件系统地研究了N和硫属元素共掺杂锐钛矿和金红石TiO2的电子性质。在掺杂体系中，N元素取代O原子和硫属元素取代O和Ti原子。建立2×2×2的超晶胞结构模型，然后分析掺杂TiO2的晶体几何优化，取代能，能带结构，态密度图和Bader电荷分析等对光催化性能的影响，为实验研究提供深入的理论指导。（1）经过几何结构优化可以看出，由于掺杂元素的原子半径不同，晶胞参数发生了变化，导致了不同的晶格畸变和体积膨胀。（2）从取代能结果可以看出，N和硫属元素掺杂金红石TiO2时，N的单取代能最小，Te的单取代能和N/Te的共掺杂取代能最高。N和硫属元素掺杂锐钛矿TiO2时，硫属元素取代Ti原子后与N的协同作用不如硫属元素取代O原子后表现得理想。这是由于掺杂原子半径的不同，引起原子间的相互作用力不同，进入晶格中需要不同的能量。（3）从能带图和态密度图可以看出，TiO2能带结构中引入了杂质能级，使得禁带宽度减小。杂质能级是由N2p，S3p，Se4p和Te5p轨道组成互相杂化在一起。硫属元素替换Ti原子后，导带主要是有Ti3d轨道占据，与杂质能级形成了S3p（Se4p或Te5p）-N2p-Ti3d混合态。同时由于自旋极化产生了局域隙态和共掺杂时在带边引入了扩展态，有利于提高光催化活性。（4）由Bader电荷分析可知，当N和硫属元素替换O原子，电子转移从N元素到硫属元素。当N取代O原子和硫属元素替换Ti原子，电子转移从硫属元素到N元素。在N和硫属元素共掺杂金红石和锐钛矿TiO2体系中，通过掺杂可以降低电子－空穴对的复合速率，电子在价带（导带）和杂质态之间的跃迁更容易。因此能够更好的在可见光区域内提高光催化活性。
【作者】李昌盛；
【导师】任君；
【作者基本信息】中北大学，化学工艺，2014，硕士
【关键词】二氧化钛；氮和硫属元素；光催化；共掺杂；第一性原理；

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