金属掺杂锐钛矿型TiO2光催化剂的第一性原理研究

论文摘要

本文采用Accelrys公司开发的Materials Studio 4.3版本中的CASTEP模块进行计算模拟工作。首先对纯锐钛矿型TiO2和元素掺杂后的各种晶体模型,进行结构优化;然后计算并分析它们的电子结构、形成能、电荷密度、光学性质等。本文主要做了以下五个方面的掺杂研究工作:（1）我们计算了四种碳掺杂锐钛矿型TiO2的晶体结构,包括C&O,C2-&O,C&Ti和C4+&Ti。采用第一性原理的平面波超软赝势方法,分析了四种碳掺杂锐钛矿型TiO2的晶胞构型、能带结构、态密度和光吸收谱图。我们旨在研究掺杂原子不同的氧化态、不同的掺杂形式对掺杂效果的影响。（2）对于3d过渡金属掺杂锐钛矿型TiO2,即分别用一个过渡金属原子替换TiO2晶格中的Ti位,我们得到了Sc-TiO2、V-TiO2、Cr-TiO2、Mn-TiO2、Fe-TiO2、Co-TiO2、Ni-TiO2、Cu-TiO2和Zn-TiO2这9种金属元素掺杂模型。结果表明掺杂局域能级的形成主要是掺杂过渡金属3d轨道的贡献,另外杂质能级在禁带中的位置是决定TiO2吸收带边能否红移的重要因素。（3）4d过渡金属是指Y、Zr、Nb、Mo、Ru、Rh、Pd、Ag和Cd这9种金属元素。我们计算并详细分析了它们的杂质形成能、能带结构和分态密度,按照杂质带的特性分为四类进行讨论。（4）我们采用第一性原理的平面波超软赝势方法,分析了纯锐钛矿TiO2及17种稀土元素分别掺杂后TiO2晶体模型的电子结构和光学性质,并计算了它们的形成能大小。根据掺杂后杂质能级位置,我们可将掺杂分为三类进行分析讨论。（5）对于铜族和锌族元素掺杂,禁带宽度降低的幅度都较大,光吸收都发生了红移,并且在可见光区的吸收系数也较大,有可能作为较为理想的可见光光催化剂。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 2 光催化剂的研究现状'>1 锐钛矿型TiO₂光催化剂的研究现状
• 1.1 引言
• 2 半导体材料'>1.2 TiO₂半导体材料
• 2 半导体的晶体结构'>1.2.1 TiO₂半导体的晶体结构
• 2 半导体光催化机理'>1.2.2 TiO₂半导体光催化机理
• 2 的光学吸收性能'>1.2.3 锐钛矿TiO₂的光学吸收性能
• 2 基可见光光催化剂研究进展'>1.3 离子掺杂TiO₂基可见光光催化剂研究进展
• 2'>1.3.1 非金属掺杂TiO₂
• 2'>1.3.2 金属掺杂TiO₂
• 2'>1.3.3 金属、非金属共掺杂TiO₂
• 2 半导体材料广泛应用'>1.4 TiO₂半导体材料广泛应用
• 1.5 本论文的研究思路与主要内容
• 2 计算机模拟及理论研究基础
• 2.1 计算机模拟材料计算
• 2.2 第一性原理（密度泛函理论）
• 2.2.1 Hohenberg-Kohn 定理
• 2.2.2 Koho-Sham 方程
• 2.2.3 交换一相关近似
• 2.3 平面波赝势密度泛函方法（plane-wave pseudopotential DFT）
• 2.4 Castep 软件包简介
• 2 光催化剂'>3 碳掺杂的锐钛矿型TiO₂光催化剂
• 3.1 引言
• 3.2 计算模型与方法
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 结构优化
• 3.3.2 电子结构
• 3.3.3 吸收光谱
• 3.4 结论
• 2 光催化剂'>4 3d 过渡金属掺杂的锐钛矿型TiO₂光催化剂
• 4.1 引言
• 4.2 计算部分
• 4.3 电子结构
• 4.4 光学属性
• 4.5 小结
• 2 光催化剂'>5 4d 过渡金属掺杂的锐钛矿型TiO₂光催化剂
• 5.1 引言
• 5.2 计算部分
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 结构优化
• 5.3.2 形成能
• 5.3.3 电子结构
• 5.3.4 光学属性
• 5.4 小结
• 2 光催化剂'>6 稀土元素掺杂的锐钛矿型TiO₂光催化剂
• 6.1 引言
• 6.2 计算部分
• 6.3 结果与讨论
• 6.3.1 结构优化
• 6.3.2 形成能
• 6.3.3 布局分析
• 6.3.4 电子结构
• 6.3.5 光学属性
• 6.4 本章小结
• 2 光催化剂'>7 ds 区金属掺杂锐钛矿型 TiO₂光催化剂
• 7.1 引言
• 7.2 结果分析
• 7.2.1 电子结构
• 7.2.2 光学属性
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文