N与卤素共掺杂锐钛矿相（101）面二氧化钛纳米管的第一性原理研究

发布时间：2018-12-27 09:38

【摘要】：共掺杂是提高二氧化钛纳米管可见光催化性能的一种有效方式。为了提高二氧化钛(TiO2)纳米管的光催化性能，人们做了大量的实验，并制备了TiO2纳米管掺杂体系，但是掺杂对体系的影响机理研究的不多。本文采用VASP软件计算包中密度泛函理论的第一性原理方法对N与卤素共掺杂的纳米管体系进行了研究，其中研究了N单掺杂、卤素单掺杂及N与卤素共掺杂锐钛矿(101)面二氧化钛纳米管中(6,0)管的原子结构、电子性质、光学性质和标准氢电势下的光催化水解。在本文中，杂质元素取代掺杂的是纳米管中的氧(O)元素，其中纳米管中O元素存在两种形式：二配位氧(O2C)和三配位氧(O3C)。本文首先对N、F掺杂纳米管体系做了系统的研究，计算结果表明，N、F元素单掺杂替换纳米管中的O3C时，体系结构最为稳定，N-F共掺杂纳米管时杂质元素同时取代纳米管中的O3C时，结构也最为稳定。通过分析N、F及N-F掺杂后体系的能带和态密度我们发现，对于N单掺杂体系，纳米管带隙减小，价带顶出现了杂质能级，并且该杂质能级由N和O共同提供；对于F单掺杂体系，掺杂对纳米管的带隙影响不大，但是改变了纳米管的费米能级位置，使费米能级进入了导带底，这表明F的加入改变了纳米管中电子的填充情况；对于N-F共掺杂体系，不仅在纳米管体系中出现了杂质能级，而且降低了导带底的位置，大大减小了纳米管的带隙(减小了0.557eV)。通过在标准氢电势条件下研究掺杂后体系的氧化还原能力发现，纳米管的还原能力强于体材结构，N单掺杂与N-F共掺杂体系的氧化还原能力稍有所下降但是带隙的减小使纳米管的光吸收能力大大提高；而F掺杂后的体系导带底几乎与H2O分子中H+的还原势位于同一水平线上，这说明该体系还原H2O的能力几乎丧失，但是价带顶距离H2O分子的O2-的氧化势距离较远，这说明纳米管的氧化能力有所提升。在差分电荷分析中，，杂质元素的得失电子能力与O元素的相比发生了严重的变化，改变了原有体系的电子分布情况。通过分析各体系的光学性质可知，掺杂后纳米管的光吸收能力都有所提升，其中N-F共掺杂的体系最为理想。为了进一步探索材料的改性，本文对其他卤素(Cl、Br、I)单掺杂以及N与其他卤素共掺杂TiO2纳米管进行了系统的研究。计算结果表明，Cl元素取代掺杂纳米管的O3C时结构最为稳定；由于Br在掺杂过程中结构的能量难以达到稳定的收敛标准，因此Br在单掺杂纳米管过程中的结构难以形成；而I元素只有取代掺杂纳米管的O2C时结构最为稳定。并且，Cl和I单掺杂纳米管的能带、态密度、带隙、氧化性和光学性质都与F单掺杂的情况相似。在N分别与Cl、Br、I共掺杂的体系中，N-Cl、N-Br都是杂质元素同时取代掺杂O3C时结构最为稳定，而N-I则是杂质元素取代掺杂O2C时结构最为稳定。通过比较各种掺杂体系发现，N-I共掺杂的纳米管带隙减小最大，光吸收能力最强，而纳米管的还原能力降低也最大，因此在实验材料制备与掺杂材料选择时还应综合考虑实际的效益来选择不同的掺杂性质。
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【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TB383.1;O614.411

【参考文献】