晶格缺陷对方铅矿电子结构及浮选行为影响的第一性原理研究

摘要

不同产地或同一产地不同矿区的天然方铅矿具有不同的浮选行为，晶格缺陷的存在能够显著影响硫化铅矿物的半导体性质，从而影响硫化铅矿物的可浮性。晶格缺陷对方铅矿的可浮性有较大影响，方铅矿中含有银、铋或铜等杂质，其可浮性升高，而含有锌、锰或锑等杂质，可浮性降低。同时，方铅矿所含杂质不同，对它的抑制作用也不相同。为进一步查清杂质缺陷对方铅矿浮选行为影响的本质，本文采用密度泛函理论的第一性原理研究了空位缺陷和10种杂质缺陷的形成能以及对方铅矿费米能级、能带结构、态密度和电子结构的影响，并讨论了它们对方铅矿浮选行为的影响。计算结果如下：
　　 (1)铅空位降低了方铅矿的费米能级，在方铅矿中相当于受主缺陷；而硫空位使方铅矿的费米能级升高，相当于施主缺陷。硫空位使方铅矿的半导体类型从直接带隙p型改变为间接带隙n型；而铅空位没有改变方铅矿的半导体类型。铅空位缺陷能够降低方铅矿的最低空轨道，有利于方铅矿的氧化，以及丁黄药和乙硫氮的吸附；而硫空位的存在增大了方铅矿的最低空轨道，不利于方铅矿的氧化，以及丁黄药和乙硫氮的吸附。
　　 (2)银、铊、砷、锑、铋杂质使得方铅矿的带隙变窄，而锌、铜、锰、镉、铟杂质使方铅矿的带隙变宽。含有锰、砷、铋、锌、锑杂质的方铅矿的费米能级向高能量的方向移动，并且五种杂质都在价带形成了杂志能级；而银、铜、锌、铊、镉杂质使方铅矿的费米能级向低能量方向移动，铊杂质在价带中形成了杂质能级。杂质能级的形成能够促进电子的迁移和提高方铅矿的电化学反应活性。锰、锑、砷、铋杂质使方铅矿的半导体类型从直接带隙p型转变为直接带隙n型，银、铜、锌、铊、镉杂质对方铅矿的半导体类型没有影响。在所有10种杂质中，只有铟杂质使方铅矿的半导体类型从直接带隙p型变为间接带隙n型。
　　 (3)方铅矿中含有锌、铟、锑、铊和锰杂质时，铅原子的荷电数降低，形成较低的荷电状态和较少的自由外层轨道，从而不利于形成对药剂（阴）离子的吸附中心，可浮性降低；而含有银、铜、铋、砷和镉杂质的方铅矿则使铅原子形成了较高的荷电状态和更多的自由外层轨道，从而形成对药剂（阴）离子较强的吸附中心，可浮性升高。
　　 (4)锌离子掺杂的方铅矿与氧气之间的｜△E｜值与理想的方铅矿的｜△E｜值比较接近，其中锰的｜△E｜最低，预测锰掺杂的方铅矿比理想的更容易被氧化；其他离子掺杂也较多地降低了方铅矿与氧的｜△E｜，预测离子掺杂较大地增强了方铅矿与氧的反应活性。锌和铟离子掺杂的方铅矿与捕收剂之间的｜△E｜值要比理想方铅矿的大，银，铜，铋和砷掺杂使｜△E｜值降低较多，以砷掺杂方铅矿的｜△E｜值最小。预测锌和铟离子掺杂降低了捕收剂与方铅矿的作用，从而降低了方铅矿的可浮性；而银，铜，铋和砷掺杂增强了捕收剂与方铅矿的作用，提高了方铅矿的可浮性，并以砷掺杂后的方铅矿的可浮性最好。