非金属元素掺杂改性的TiO2基光催化剂的理论研究

论文摘要

二氧化钛（TiO2）是目前研究的最广泛的光催化材料，特别是作为环境净化的光催化剂，具有无毒、化学惰性、廉价、稳定和高效等优异特点，使得TiO2成为最受欢迎的光催化材料。利用太阳光作为光源，令TiO2光催化具有节能和绿色环保的双重优势，因而TiO2基光催化剂必将在目前我国大力提倡的节能环保型社会建设中发挥巨大的作用。同时，节能和绿色环保材料的开发也是当今世界的共同追求。 然而，作为宽带隙半导体TiO2只能对太阳光中约占3％的紫外光的照射有响应，太阳能的利用率很低。通过掺杂对TiO2进行带隙调控，从而获取可以响应可见光（约占太阳光的45％）的TiO2基可见光光催化剂一直是人们努力的目标。金属离子掺杂是常用来对TiO2进行带隙调控的一种方法，但是研究发现金属离子掺杂的TiO2往往存在着光生载流子复合几率较高和热不稳定性等诸多缺陷。最近，非金属元素（N、C、S、等）掺杂改性的TiO2在可见光吸收和光催化方面表现出的独特优势，使之迅速成为国际学界关注的焦点。 本论文利用当前最为优秀的处理固体材料的平面波赝势密度泛函方法（plane-wave pseudopotential DFT），对非金属元素N、C、S掺杂改性的锐钛矿型（anatase）TiO2体系的电子结构和光吸收性质进行了系统的模拟计算研究。 具体内容包括： 1．S掺杂的锐钛矿型TiO2： （a） 研究了锐钛矿型TiO2中S替位取代格子O的掺杂效应。 计算结果显示，TiO2-xSx是一个直接带隙半导体。这一特征将对其光吸收大为有利。对TiO2-xSx的电子结构分析表明，其带隙相对于未掺杂TiO2有所减小，这是由S3p杂质态在价带上边沿的出现造成的。可以推断，由S3p杂质态到导带的跃迁造成了实验观测到的S掺杂TiO2吸收边沿的红移。研究显示，在计算探讨的掺杂浓度下，TiO2-xSx在400-550nm范围内产生可见光吸收。此外，我们还发现材料的带隙减小和吸收边沿的红移均随掺杂浓度的升高而增大。 （b） 研究了锐钛矿型TiO2中S替位取代格子Ti的掺杂效应。 电子结构分析显示，与阴离子S掺杂（S替位取代O掺杂）类似，带隙中在价带上边沿附近杂质态的出现帮助阳离子S掺杂的TiO2减小了带隙。由这个杂质态至

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 2基可见光光催化剂研究现状'>第一章 TiO₂基可见光光催化剂研究现状
• 1.1 引言
• 1.2 半导体光催化
• 2基可见光光催化剂的途径（TiO₂的修饰）'>1.3 获取TiO₂基可见光光催化剂的途径（TiO₂的修饰）
• 2基可见光光催化剂的制备方法'>1.4 TiO₂基可见光光催化剂的制备方法
• 2基可见光光催化剂研究进展'>1.5 非金属离子掺杂的TiO₂基可见光光催化剂研究进展
• 2的共掺杂'>1.6 TiO₂的共掺杂
• 1.7 除此之外,目前常见的光催化剂
• 2基可见光光催化材料的广泛应用'>1.8 TiO₂基可见光光催化材料的广泛应用
• 2基可见光光催化材料的重大意义'>1.9 研究TiO₂基可见光光催化材料的重大意义
• 参考文献
• 第二章 本研究的理论基础
• 2.1 密度泛函理论（Density Functional Theory,DFT）
• 2.1.1 Hohenberg-Kohn定理
• 2.1.2 Kohn-Sham方程
• 2.1.3 交换—相关近似
• 2.2 平面波赝势密度泛函方法（plane-wave pseudopotential DFT）
• 2.2.1 平面波方法
• 2.2.2 赝势（pseudopotential）近似
• 2.3 CASTEP（CAmbridge Serial Total Energy Package）简介
• 参考文献
• 2光催化剂'>第三章 S掺杂的锐钛矿型TiO₂光催化剂
• 2'>第一节 阴离子S掺杂的锐钛矿型TiO₂
• 2'>第二节 阳离子S掺杂的锐钛矿型TiO₂
• 2'>第三节 间隙S掺杂的锐钛矿型TiO₂
• 2'>第四节 多重S掺杂的锐钛矿型TiO₂
• 本章小结
• 参考文献
• 2光催化剂'>第四章 C掺杂的锐钛矿型TiO₂光催化剂
• 2'>第一节 阴离子C掺杂的锐钛矿型TiO₂
• 2'>第二节 阳离子C掺杂的锐钛矿型TiO₂
• 2'>第三节 间隙C掺杂的锐钛矿型TiO₂
• 本章小结
• 参考文献
• 2光催化剂'>第五章 N、H共掺杂的锐钛矿型TiO₂光催化剂
• 2'>第一节 N、H共掺杂的锐钛矿型TiO₂
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间撰写和发表的论文
• 学位论文评阅及答辩情况表