学位论文 > 优秀研究生学位论文题录展示

掺杂锐钛矿型二氧化钛光催化性能的第一性原理计算

作　者: 何承冬
导　师: 彭金辉
学　校: 昆明理工大学
专　业: 材料成型与控制
关键词: 二氧化钛光催化掺杂改性第一性原理
分类号: O643.36
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
下　载: 21次
引　用: 0次
阅　读: 论文下载

内容摘要

二氧化钛是作为一种氧化物半导体材料,有着很广泛的实际应用价值。其优点为：原料产地广且多,物质本身有很强的稳定性、光催化活性并且对人体无伤害,使其在光催化材料制备方面受到人们的青睐。在太阳能的储存和利用、空气净化以及杀菌、光化学转换、废水处理、贵金属回收和防雾、自洁表面等方面的有着广泛应用。但是,TiO2也拥有致命的光催化的缺陷,也就是产生的电子-空穴对容易复合,使其光催化活性受到限制。为了提高其光催化活性,也就是减少电子-空穴对的复合,本论文通过第一性原理的密度泛函数理论,采用掺杂改性的方法分别就非金属元素、过渡金属元素、浓度进行单因素实验计算,最终得出过渡金属元素与非金属元素共掺杂锐钛矿型Ti02的最优浓度。计算发现：典型非金属元素掺入TiO2中,N元素为最佳掺入元素,同时其浓度为掺N4×1×1超晶胞时为最佳浓度,禁带宽度为1.592eV,光响应范围扩展为537nm；过渡金属元素掺入TiO2中,Cu元素为最佳掺入元素,其浓度为掺Cu4×1×1超晶胞时为最佳浓度,禁带宽度为1.14ev。并且TiO2晶胞中产生了晶格畸变,形成氧空缺,能更好的捕获光电子；最终得出N-Cu共掺4×1×1超晶胞为最优掺杂方式,其禁带宽度为1.083ev,同时兼有掺N的紫外光区域吸收特性和掺Cu的氧空位机制,大大提高了TiO2的光催化综合性能,光响应范围扩展为678nm,为实际锐钛矿型TiO2掺杂改性提供了理论设计。

全文目录

摘要 3-4ABSTRACT 4-8第一章绪论 8-21 1.1 引言 8-12 1.1.1 TiO_2的晶体结构 8-9 1.1.2 TiO_2的应用 9-12 1.2 光催化反应的主要理论 12-14 1.2.1 半导体能带理论 12-14 1.2.2 电子、空穴的捕获 14 1.3 影响光催化反应的各种因素 14-16 1.3.1 晶体结构的影响 14-15 1.3.2 粒径大小的影响 15 1.3.3 表面形态的影响 15-16 1.3.4 光强度的影响 16 1.3.5 PH值的影响 16 1.4 提高光催化反应的途径 16-18 1.4.1 金属元素掺入TiO_2 17-18 1.4.2 非金属元素掺入TiO_2 18 1.5 课题的提出 18-21第二章理论基础及实验设计思路 21-34 2.1 晶体学简介 21-23 2.1.1 晶体的特征和空间点阵 21-23 2.1.2 晶胞与原胞 23 2.2 第一性原理简介 23-32 2.2.1 基本解释 24-25 2.2.2 全电子法和赝势法 25-26 2.2.3 线性缀加平面波方法 26-27 2.2.4 能带理论 27-31 2.2.5 几种常用程序 31-32 2.3 课题研究思路 32-34第三章非金属元素掺杂锐钛矿型TiO_2 34-52 3.1 引言 34 3.2 模型的建立 34-38 3.2.1 晶胞及原胞的建立 34-35 3.2.2 原胞的几何优化 35-36 3.2.3 超晶胞的建立 36-38 3.3 非金属元素掺入原胞 38-42 3.3.1 原胞掺杂 38-39 3.3.2 氮元素置换TiO_2中的氧计算 39-42 3.4 能带分析 42-47 3.5 态密度分析 47-50 3.6 结论 50-52第四章金属元素掺杂锐钛矿型TiO_2 52-65 4.1 引言 52 4.2 模型的建立 52-53 4.3 金属元素掺入原胞 53-57 4.3.1 原胞掺杂 53-54 4.3.2 铜原子置换TiO_2原胞中的钛原子计算 54-57 4.4 能带分析 57-60 4.4.1 铜置换TiO_2原胞前后的能带分析 57-58 4.4.2 不同浓度的掺铜超晶胞能带分析 58-60 4.5 态密度分析 60-64 4.5.1 原胞掺铜前后态密度分析 60-62 4.5.2 不同掺铜浓度的态密度分析 62-64 4.6 结论 64-65第五章 N-Cu共掺锐钛矿型TiO_2最佳浓度分析 65-69 5.1 引言 65 5.2 模型的建立与计算 65-66 5.3 最佳共掺浓度的能带及态密度分析 66-68 5.4 结论 68-69第六章结论 69-70参考文献 70-76致谢 76-77附录:硕士期间发表的论文 77

掺杂锐钛矿型二氧化钛光催化性能的第一性原理计算

内容摘要

全文目录

相似论文