N、F单掺及共掺杂锐钛矿型二氧化钛的第一原理研究

发布时间：2017-09-17 17:02

  本文关键词：N、F单掺及共掺杂锐钛矿型二氧化钛的第一原理研究

  更多相关文章： 锐钛矿TiO_2 掺杂 第一原理 电子结构 光催化性能

【摘要】：锐钛矿TiO2是一种成本低廉、安全没有毒性、耐腐蚀且化学性质比较稳定的半导体材料,正因为它具有上述这几个特点被大家看作是最有研究价值和发展前程的绿色环保的光催化材料。但是它有一个缺点,就是带隙大导致的只能吸收太阳光中波长小于387nm的部分,而满足这个波长条件的光在太阳光中只占一小部分,这无疑阻碍了二氧化钛的应用,所以近些年有众多的研究学者们热衷于如何提高二氧化钛的光催化性能的研究上,这其中最受关注的便是异质元素掺杂了,具体掺杂方法还可以细分为金属单掺、非金属单掺,以及两种金属共掺、两种非金属共掺和金属与非金属共掺这五种情况。本文选择了两种非金属元素氮和氟进行掺杂,运用第一原理计算方法对纯锐钛矿型TiO2的电子结构以及经过N/F单掺和共掺后的电子结构展开了一系列的计算分析。首先,本文利用LDA.GGA两种近似方法对没有进行过任何掺杂的锐钛矿型TiO2进行计算研究,结果表明由GGA方法算得的结果与实验值更贴近,但是由于众所周知的原因DFT总是低估带隙的宽度,我们采用GGA+U方法进行修正,我们选取了三种不同的U值组合进行测试计算,通过计算结果从三组值中选择一组最优的U值来应用于本文之后所有掺杂模型的计算。然后,我们计算了氮氟单掺杂二氧化钛的情况,氮和氟均是以替代氧原子的方式进行掺杂,基础模型是2x2x2锐钛矿相二氧化钛,氮单掺杂的浓度选为2.1%,氟单掺杂的浓度选为1.05%。结果表明：氮掺杂通过引入杂质能级的方法来提高二氧化钛的光催化性能,而氟掺杂则是通过缩小带隙,使吸收光红移来提高其光催化性能。研究了不同元素掺杂带来的影响后,进而又研究了不同浓度对掺杂改性方面的影响,我们构造了三种大小的晶胞模型,分别是2×2×1、2×2×2、3×2×2,掺杂原子种类及数目相同,均是两个氮替代两个氧,一个氟替代一个氧,这样就构成了三种不同掺杂浓度的模型(N:4.2%F:2.1%:N:2.1%F:1.05%；N: 1.4%F:0.7%),需要注意的是在掺杂时让掺杂原子的位置保持相对一致,排除掺杂位置对结果的影响。最终得出结论：共掺杂结合了各自单掺杂时的优点,实现更佳的效果；在本文的研究范围内,如果掺杂浓度增大了,锐钛矿二氧化钛所表现的光催化活性也随着提高了。
【关键词】：锐钛矿TiO_2 掺杂 第一原理 电子结构 光催化性能
【学位授予单位】：辽宁大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ134.11
【目录】：

• 摘要4-6
• abstract6-13
• 第1章 绪论13-26
• 1.1 半导体光催化13-14
• 1.1.1 半导体光催化的起源13-14
• 1.1.2 半导体光催化剂简介14
• 1.1.3 半导体光催化剂的应用14
• 1.2 光催化剂TiO_2简介14-19
• 1.2.1 TiO_2的性质14-15
• 1.2.2 TiO_2光催化降解反应机理15-16
• 1.2.3 TiO_2光催化剂的应用16-19
• 1.3 影响TiO_2光催化性能的因素19-20
• 1.3.1 晶型的影响19
• 1.3.2 晶粒尺寸的影响19-20
• 1.3.4 比表面积的影响20
• 1.4 提高TiO_2光催化活性的方法20-25
• 1.4.1 掺杂改性21-23
• 1.4.2 复合半导体23-24
• 1.4.3 染料光敏化24
• 1.4.4 贵金属沉积24-25
• 1.5 本文的研究意义及研究内容25-26
• 第2章 计算原理和方法26-30
• 2.1 第一原理26
• 2.2 密度泛函理论26-29
• 2.2.1 Hohenberg-Kohn定理26-27
• 2.2.2 Kohn-Sham方程27-28
• 2.2.3 交换关联能近似28-29
• 2.3 VASP软件介绍29-30
• 第3章 纯锐钛矿TiO_2的性质研究30-39
• 3.1 理论模型和计算方法30
• 3.2 结果与分析30-33
• 3.3 GGA+U方法33-37
• 3.4 DOS和PDOS37-38
• 3.5 本章小结38-39
• 第4章 N单掺杂锐钛矿TiO_2的性质研究39-44
• 4.1 理论模型和计算方法39
• 4.2 结果与分析39-42
• 4.2.1 DOS和PDOS39-42
• 4.2.2 能带结构42
• 4.3 本章小结42-44
• 第5章 F单掺杂锐钛矿TiO_2的性质研究44-49
• 5.1 理论模型和计算方法44
• 5.2 结果与分析44-47
• 5.2.1 DOS和PDOS44-47
• 5.2.2 能带结构47
• 5.3 本章小结47-49
• 第6章 氮氟共掺杂锐钛矿TiO_2的性质研究49-58
• 6.1 理论模型和计算方法49-50
• 6.2 结果与分析50-56
• 6.2.1 氮氟共掺杂的结果与讨论50-54
• 6.2.2 氮氟以不同浓度掺杂二氧化钛的影响54-56
• 6.3 本章小结56-58
• 第7章 总结与展望58-60
• 7.1 总结58-59
• 7.2 展望59-60
• 致谢60-61
• 参考文献61-63

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前7条

1 张小伟;沈为民;黄杰;刘阳;徐国堂;梁培;;掺杂Fe~(3+)的TiO_2电子结构及光学特性研究[J];硅酸盐通报;2014年04期

2 张晓艳;崔晓莉;;C-N共掺杂纳米TiO_2的制备及其光催化制氢活性[J];物理化学学报;2009年09期

3 万中全;郑树楠;贾春阳;延卫;;纳米TiO_2复合光催化剂的制备及其光解水制氢性能研究[J];化学学报;2009年05期

4 刘学军;刘宗晟;刘刚;叶志清;;Pt掺杂锐钛矿型TiO_2电子结构和光学性质第一性原理研究[J];江西科学;2008年05期

5 岳林海,水淼,徐铸德;二氧化钛微晶结构和光催化性能关联性研究[J];化学学报;1999年11期

6 鲍其鼐;冷却水处理中的水溶性聚合物[J];化工进展;1999年05期

7 刘平,林华香,付贤智,孟春;掺杂TiO_2光催化膜材料的制备及其灭菌机理[J];催化学报;1999年03期

中国博士学位论文全文数据库 前2条

1 王俊鹏;半导体材料的能带调控及其光催化性能的研究[D];山东大学;2013年

2 刘秀华;金属离子掺杂二氧化钛光催化剂的改性研究[D];中国工程物理研究院;2007年

中国硕士学位论文全文数据库 前1条

1 王林浩;金属共掺杂纳米二氧化钛的制备及其光催化性能研究[D];河南师范大学;2012年

，

本文编号：870610