Cr3+离子掺杂对TiO2光催化降解五种染料性能的影响及其密度泛函研究

论文摘要

TiO2是目前研究最为广泛的半导体光催化材料，能够将各类有机污染物光催化降解为无机小分子物质。但TiO2仅对紫外光的照射有响应，不能充分利用太阳能；而且光量子产率低，光生载流子容易复合。过渡金属离子掺杂能够有效提高TiO2光催化活性，离子的掺杂效果与降解模型物的分子结构有关。论文研究了Cr3+离子掺杂对TiO2的光催化降解五种不同结构染料性能的影响，采用密度泛函理论研究了Cr3+离子掺杂对TiO2能带结构、态密度、电荷密度、原子布居等的影响，并采用前线轨道理论探讨了离子掺杂与染料分子结构之间的关系。采用溶胶-凝胶法制备了掺杂Cr3+离子的TiO2纳米颗粒，XRD测试结果表明Cr3+离子掺杂进入TiO2晶格能减小其粒径，并且在TiO2相变过程中有利于锐钛矿的生成。正电子湮没测试表明Cr3+离子掺杂能促进二氧化钛内部形成空位尺寸较大的微孔洞。Cr3+离子掺杂使TiO2吸收光谱发生了红移。对不同分子结构的五种染料光催化降解结果表明不掺杂TiO2光催化降解染料的顺序为：罗丹明B<甲基橙<刚果红<茜素红<次甲基兰；掺杂Cr3+离子后，TiO2光催化降解五种染料的脱色率的提高幅度顺序为：罗丹明B<甲基橙<次甲基兰<茜素红<刚果红。实验结果表明二氧化钛离子掺杂效果不仅和离子掺杂浓度有关，而且还与降解模型物的结构有关。采用基于密度泛函理论的CASTEP模块计算了Cr3+离子替位取代Ti4+离子及Cr3+离子间隙进入锐钛矿型TiO2晶格两种情况下锐钛矿TiO2的电子结构及相关性质，研究结果表明掺杂后锐钛矿型TiO2由非直接带隙半导体变成了直接带隙半导体。同时费米能级上移进入导带，锐钛矿型TiO2变为简并半导体。Ti 3d轨道构成的导带与Cr 3d轨道之间出现明显的杂化，形成的杂质能带与导带相连形成了新的简并能带。在半导体能带理论中这属于浅能级捕获势垒，对于载流子的传输是一个积极的因素，能够提高TiO2的光催化活性。而且随着Cr3+离子掺杂浓度的增加，禁带宽度存在近似线性的减小。电荷布居及电荷差分密度图的分析结果表明Cr3+离子替位取代Ti4+离子的超晶胞内部的Cr-O键的共价性强于Ti-O键，而Cr3+离子间隙进入晶格时Cr-O键之间的共价性弱于替位掺杂下Cr-O键。且Ti-O键的重叠布居值小于替位掺杂时Ti-O键的重叠布居值，其原因是由于间隙进入晶格的Cr原子对周围的O原子产生了强烈的吸引，减少了Ti原子和O原子之间的电子云重叠。两种掺杂类型对锐钛矿型TiO2光吸收性质具有不同的影响，替位取代时光吸收带边在400nm附近出现红移，而间隙掺杂时锐钛矿型YiO2光吸收带边在800nm附近出现新的吸收峰。采用基于密度泛函理论的DMol3模块对五种染料分子进行了量子化学计算，得到各染料分子的前线轨道的能级。未掺杂TiO2对五种染料的光催化脱色率与染料的前线最低空轨道能级有关：D=-2．7233ELUMO2-28．847ELUMO-12．175R2=0．9731而掺杂Cr3+离子后，TiO2光催化降解五种染料的脱色率提高幅度与Cr3+离子掺杂浓度及最低空轨道的能级相关：

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 2半导体光催化研究现状'>第一章 TiO₂半导体光催化研究现状
• 1.1 引言
• 2半导体光催化机理'>1.2 TiO₂半导体光催化机理
• 2改性方法'>1.3 纳米TiO₂改性方法
• 1.3.1 贵金属沉积
• 1.3.2 半导体复合
• 1.3.3 光敏化
• 1.3.4 非金属掺杂
• 1.3.5 金属离子掺杂
• 2光催化活性的因素'>1.4 影响TiO₂光催化活性的因素
• 2晶体结构和缺陷的影响'>1.4.1 TiO₂晶体结构和缺陷的影响
• 1.4.2 反应物结构的影响
• 2光催化降解染料的研究现状'>1.5 我国ZiO₂光催化降解染料的研究现状
• 1.6 课题研究内容及意义
• 第二章 密度泛函理论
• 2.1 密度泛函理论基础
• 2.1.1 Thomas-Fermi模型
• 2.1.2 Hohenberg-Kohn定理
• 2.1.3 Kohn-Sham方程
• 2.2 交换相关泛函的近似
• 2.2.1 局域密度近似（LDA）
• 2.2.2 局域自旋密度近似（LSDA）
• 2.2.3 广义梯度近似（GGA）
• 2.2.4 杂化密度泛函（BLYP）
• 2.3 平面波赝势密度泛函方法（PPW）
• 2.3.1 平面波法
• 2.3.2 赝势近似
• 2.4 密度泛函理论的计算软件介绍
• 3+掺杂对TiO₂光催化降解五种染料活性的影响'>第三章 Cr³⁺掺杂对TiO₂光催化降解五种染料活性的影响
• 3.1 实验方法
• 3.1.1 实验仪器与试剂
• 3.1.2 催化剂的制备
• 2光催化活性评价方法'>3.1.3 TiO₂光催化活性评价方法
• 3.2 结果与讨论
• 3+离子掺杂对TiO₂物相的影响'>3.2.1 Cr³⁺离子掺杂对TiO₂物相的影响
• 3+离子掺杂对TiO₂缺陷的影响'>3.2.2 Cr³⁺离子掺杂对TiO₂缺陷的影响
• 3+离子掺杂对TiO₂吸收光谱的影响'>3.2.3 Cr³⁺离子掺杂对TiO₂吸收光谱的影响
• 3+离子掺杂对TiO₂光催化降解五种染料活性的影响'>3.2.4 Cr³⁺离子掺杂对TiO₂光催化降解五种染料活性的影响
• 2光催化结果分析与讨论'>3.2.5 TiO₂光催化结果分析与讨论
• 3.3 小结
• 3+离子掺杂TiO₂的密度泛函研究'>第四章 Cr³⁺离子掺杂TiO₂的密度泛函研究
• 3+替位掺杂锐钛矿型TiO₂'>4.1 Cr³⁺替位掺杂锐钛矿型TiO₂
• 4.1.1 计算方法与细节
• 4.1.2 计算结果与分析
• 3+间隙掺杂锐钛矿型TiO₂'>4.2 Cr³⁺间隙掺杂锐钛矿型TiO₂
• 4.2.1 计算方法与细节
• 4.2.2 计算结果与分析
• 4.3 小结
• 第五章 染料光催化降解的前线轨道研究
• 5.1 前线轨道理论
• 5.2 计算方法与细节
• 5.3 染料的前线分子轨道
• 5.4 染料脱色率与前线轨道的关系
• 3+掺杂浓度的关系'>5.5 染料脱色率与最低空轨道及Cr³⁺掺杂浓度的关系
• 5.6 小结
• 第六章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间论文发表情况