TiO2光催化剂掺杂效应的第一性原理研究

摘要

本论文运用第一性原理计算方法，对TiO2的光催化剂掺杂效应展开了系统的研究，得到了TiO2光催化材料的掺杂改性的一般规律。在过渡金属元素M(M=Co、Ni、Ag、Pt、Zn)掺杂金红石型TiO2的体系M1Tl15O32以及非金属元素A(A=C、N、S、P、B)掺杂金红石型TiO2的体系Ti16O31A1中，态密度和能带结构等电子结构特征的计算结果表明，除Zn外，掺杂元素都能不同程度改变体系的能带结构，从而改变TiO2的可见光光吸收和光催化活性。过渡金属元素掺杂对带隙的调控主要是通过掺杂原子的d轨道与TiO2中Ti-3d轨道或(和)O-2p轨道作用来实现的，其中掺杂对带隙减小效果最明显的元素为Ni；非金属元素则是掺杂原子的p轨道作主要贡献，掺杂效果最好的元素为C。rn 首次发现Pt、B掺杂能使金红石TiO2由直接带隙变为间接带隙，反而不利于光催化。高浓度磁性原子掺杂的体系CO2Ti14O32体中，占位有序和磁有序特征表明，当2个Co原子分别沿晶胞c轴方向最近邻位置排列时，体系最稳定，同时表现出铁磁稳定性，结合能带变化特征，可望进一步探索具有光催化特性和稀磁特性的复合功能材料。