共掺杂TiO2光催化材料的电子结构及性质的理论研究

摘要

近十几年来，来自能源和环境的双重威胁，严重制约社会和经济的发展，因此探索新型能源、解决环境问题刻不容缓。TiO2作为光催化剂，具有化学性质稳定，无毒，成本低，不产生二次污染等明显优于其他光催化材料的特性受到人们的普遍重视。但是，在实际应用中，由于TiO2量子产率低，且由于带隙大(～3.0-3.2eV)，只能吸收太阳光中占总能量的5％紫外光，而占太阳光总能量约43％的可见光却得不到利用，因而应用范围也受到了很多限制。如果通过能带结构调控将TiO2的光响应范围扩展到可见光，对于提高太阳能利用率，扩大TiO2应用范围具有实际意义，进而对于环境和能源材料领域的研究具有重要意义。
　　 近年来，人们在扩展TiO2光响应范围提高其可见光光催化效率方面做了大量的工作。研究发现，掺杂是可以引起TiO2可见光吸收的一种有效方法之一。通过在TiO2晶格中掺入外来原子，通过改变局部形貌结构的变化对能带结构进行调控，进而扩展光吸收范围提高可见光催化效率。非金属掺杂如C，N，P，S，F等和金属掺杂如Fe，Mn，Cr，Co等被认为可以改变TiO2的能带结构，引起可见光吸收。但由于单一元素掺杂往往在能带中引入隙态成为光生电子空穴对的复合中心，使得光催化效率降低。而两种元素共同掺杂则有可能克服单掺的弱点，因此，金属和非金属共掺是目前TiO2能带结构调控研究中的热点之一。非金属离子能扩展TiO2的光响应范围，金属离子可以抑制光生载流子复合，两者共同掺入TiO2晶格，金属和非金属之间的协同作用，可以进一步提高可见光光催化活性。如研究发现N和La共掺TiO2，N和Pt共掺的TiO2都具有比单独一种元素掺杂更高的光催化活性。最近分别有实验报道Fe-F共掺、Fe-S共掺的锐钛矿TiO2在可见光范围显示了高催化活性，掺杂原子在这两种共掺体系中起到了什么作用，为什么比单掺情况催化活性高？而且，有趣的是两种体系都含有Fe原子，但是非金属原子不同，它们之间会有什么差别呢，这些问题都值得探讨。因此，在本论文的工作中，我们系统地研究了Fe、F单掺和共掺，Fe、S单掺和共掺锐钛矿TiO2的晶体结构、热力学稳定性和电子结构及其对光催化性质的影响和作用。
　　 本论文的基本结构:
　　 第一章绪论，简要介绍了TiO2的三种结构和性质，在生活和生产中的主要应用，作为光催化剂的催化原理，以及目前实验和理论方面对TiO2的结构调控，制备方法，以及目前的研究现状。
　　 第二章介绍了第一性原理方法，密度泛函理论的基本理论基础和几种常用的交换关联泛函，然后介绍了本文用到的计算软件包。
　　 第三章介绍了借助第一性原理计算方法研究了Fe和F共掺锐钛矿TiO2不同位型的稳定性，以及掺杂后的电子结构，揭示共掺元素在提高TiO2光催化性能的协同作用。计算结果表明当Fe和F处于第一近邻位置时，是能量最稳定的结构，并且掺杂之后的Fe以三价形式存在，可以有效分离电子空穴对，这是可以提高催化活性的因素之一。另外，Fe的掺入在TiO2中引入了局域的杂质态，降低了电子的跃迁能，是引起共掺可见光吸收的主要原因。
　　 第四章介绍了Fe和S共掺的TiO2体系电子结构和性质，并与Fe和F共掺的体系做了比较。分析表明，在稳定性上，两者的共同点是，都是由于阴阳离子的共掺导致的电荷平衡作用，使得共掺系统比单掺形成能更低，也就是在结构上更稳定，也意味着可以通过共掺来提高杂质在宿主晶格中的浓度，这种效应在Fe-F共掺中更加明显。Fe和S共掺在带边引入了扩展态，并且带隙中没有可作为复合中心的局域态引入。因此，可以提高可见光吸收同时减少光生电子-空穴对的复合。此外，Fe和S共掺在带边附近的扩展态比Fe-F共掺结构延展的范围更大，这就意味着电子在价带（导带）和这些杂质态之间的跃迁更容易，从而引起强烈的可见光吸收。综合考虑，Fe-S共掺在可见光下有更好的光催化活性。
　　 第五章对本论文工作做了简要的总结以及提出未来的研究方向。