掺杂二氧化钛光催化性能的理论计算研究

摘要

在工业化进程中环境污染问题也日益严重，威胁到人类的健康发展。有效治理环境，控制污染，已成为人们普遍关心的问题。对污染物的处理方法主要有吸附、氧化和微生物分解法等，但这些方法有很多局限性，容易造成二次污染。半导体光催化法直接利用太阳能，价格低，不产出二次污染，是一种理想的治理环境的方法。常见的光催化剂有TiO2、ZnO、CdS等。
　　二氧化钛由于具有无毒、化学稳定性高、光催化性能好等特点而被广泛使用。它还可以用于制作太阳能电池，分解污水中的有机物，将其转化成H2O、CO2等无毒害的无机小分子或离子。利用其超亲水性能还可以用于表面防污与自清洁。
　　综合考虑实验条件及其实验耗费等方面的制约，本工作采用计算机模拟计算的方法进行研究。本工作基于第一原理中密度泛函理论，用Materials Studio5.0软件中CASTEP程序包，对本征锐钛矿、金红石型二氧化钛和掺P锐钛矿、掺V金红石型二氧化钛能带结构、态密度和部分光学性质进行计算。计算表明二氧化钛本征态具有较宽的禁带宽度，只能吸收太阳光中波长较短的紫外光，对太阳能利用率较低，严重影响二氧化钛的光催化效率。为提高太阳能利用率，实现可见光范围内的光吸收，掺杂改性是较为有效的方法。计算机模拟计算结果说明掺P锐钛矿带隙中产生杂质能级，电子可以从价带跃迁到杂质能级，再由杂质能级跃迁到导带，所需的激发能量减少，利于光催化性能的提高，实现可见光范围内的光吸收。V掺杂金红石型二氧化钛禁带宽度减小，材料光催化效率提高。掺杂后两种晶型二氧化钛的介电函数和吸收光谱的计算数据说明吸收带发生红移，在可见光范围内实现光吸收，与能带结构和态密度计算结果一致。

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第一章 绪论

1.1引言

1.2 光催化剂TiO2的催化原理

1.3 TiO2应用[10,11]简介

1.4影响TiO2光催化活性的因素

1.5提高TiO2光催化活性的方法

1.6非金属掺杂[35,36]制备方法

1.7本文研究的主要内容及创新点

第二章 第一原理计算和密度泛函理论

2.1第一原理计算简介

2.2密度泛函理论[43-45]介绍

2.3能带理论[53]

2.4CASTEP简介

第三章 TiO2电子结构和光学性质的理论计算研究

3.1引言

3.2理论模型构建

3.3计算方法与参数选取

3.4锐钛矿TiO2计算结果与分析

3.5金红石型TiO2计算结果与分析

3.6小结

第四章 掺杂TiO2光催化性能研究

4.1引言

4.2理论模型构建与参数选取

4.3P掺杂锐钛矿TiO2计算结果与分析

4.4V掺杂金红石型TiO2计算结果与分析

4.5小结

结论

参考文献

致谢

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