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锐钛矿型TiO_2晶体掺杂的第一性原理研究

作　者: 姚肖洁
导　师: 姚曼
学　校: 大连理工大学
专　业: 材料加工工程
关键词: 第一性原理掺杂二氧化钛电子结构光催化活性
分类号: O614.411
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

锐钛矿型TiO2具有使用上活性高、安全无毒、难溶解、储量丰富成本低廉、化学性质稳定且能耐腐蚀等优点,有着明显优于其他半导体材料的特性,被公认为是最具研发前途的环保型光催化材料。但是研究发现只有波长小于387nm的紫外光才能使Ti02产生光催化作用,而这部分紫外光仅占太阳光中很小的一部分,为了使TiO2能够更加有效地利用丰富、环保、清洁的太阳能资源,本文研究了几种离子掺杂在改善锐钛矿型TiO2光催化活性上的作用。本课题围绕着TiO2的光催化活性的问题,通过基于密度泛函理论的第一性原理方法对本征锐钛矿TiO2的电子结构及3d、4d过渡金属掺杂锐钛矿型TiO2和N/Zr、N/Ce共掺杂TiO2后对TiO2的电子结构的影响开展了一系列的研究。首先,通过对本征锐钛矿TiO2的计算研究,将优化后的结构与实验数据的对比验证了计算方法的正确性,并把握了本征锐钛矿TiO2的电子结构。对于单独的金属元素掺杂,本文建立了元素周期表中第四周期的Sc-Zn(3d金属)和第五周期的Y-Cd(4d金属)掺杂锐钛矿型TiO2的结构模型,并对其电子结构如能带结构和态密度进行了计算。结果表明,与纯TiO2相比,大多数离子掺杂后,体系在费米能级附近的能带结构都发生了一定的改变,这将影响锐钛矿型TiO2的光催化活性,杂质能级的形成主要是掺杂的金属离子的d轨道电子的贡献,文中按照金属离子d杂质能级在禁带中的位置及其与导带底部和价带顶部的距离的大小将研究的金属进行了分类。随后,我们研究了N/Zr和N/Ce共同掺杂锐钛矿型TiO2的结构模型,为了便于比较,同时我们也计算了N-、Zr-、Ce-单独掺杂锐钛矿型TiO2的电子结构,结果表明,Zr掺杂对锐钛矿型TiO2的电子结构几乎没有影响,Ce掺杂后减小了TiO2的禁带宽度,但减小不大,N单独掺杂时产生了一个不利于光催化活性的复合中心,而N/Zr共同掺杂的TiO2以后,N的2p电子更加接近价带区域,与O的2p电子混合,减少了费米能级附近的禁带中的复合中心,能够有效提高光生载流子的寿命。另外,导带底部有所降低,禁带宽度减小,也能够对N/Zr共同掺杂后的TiO2光催化活性产生积极的影响。而对于N/Ce共掺杂TiO2,体系的禁带宽度相比于纯TiO2或者N、Ce单独掺杂TiO2减小的都是最多,为2.48eV,对提高TiO2的光催化活性是最为有利的。通过对上述计算结果的研究讨论,我们明确了：离子掺杂对锐钛矿型TiO2电子结构的影响,一方面是禁带宽度的减小,这对于提高锐钛矿型TiO2的光催化活性是十分有利的,也是掺杂的关键所在；另一方面,理想的掺杂离子应该在TiO2内形成合适的受主或者施主能级,即杂质能级,并且杂质能级距离导带或者价带的位置合适,能够达到既能俘获光生载流子,实现光生电子和空穴的分离,又能快速释放载流子以避免成为电子和空穴的失活中心。这为以后掺杂离子的选择提供了理论依据。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-11
1 绪论  11-24
  1.1 研究背景及意义  11-12
  1.2 TiO_2的基本属性  12-15
    1.2.1 TiO_2的三种晶体结构  12-13
    1.2.2 能带理论的基本概念  13-15
  1.3 TiO_2的光催化机理  15-17
    1.3.1 光催化反应过程  15-16
    1.3.2 光生载流子的迁移  16-17
    1.3.3 光吸收过程  17
  1.4 TiO_2光催化的主要应用  17-19
    1.4.1 杀菌  17
    1.4.2 水处理  17-18
    1.4.3 空气净化  18
    1.4.4 其它方面  18-19
  1.5 国内外TiO_2光催化的研究现状及进展  19-22
    1.5.1 表面光敏化  19
    1.5.2 半导体复合  19
    1.5.3 贵金属沉积  19
    1.5.4 离子掺杂改性  19-22
  1.6 本课题的研究重点和方法  22-24
    1.6.1 课题的提出和重要性  22-23
    1.6.2 研究内容  23-24
2 第一性原理方法简介  24-41
  2.1 绝热近似——Born-Oppenheimer近似  24-25
  2.2 单电子近似  25-27
  2.3 密度泛函理论  27-28
  2.4 交换关联泛函的求解  28-32
    2.4.1 局域密度近似LDA  28-29
    2.4.2 广义梯度近似GGA  29-31
    2.4.3 DFT+U方法  31-32
  2.5 基于密度泛函的第一性原理的实现  32-35
    2.5.1 Bloch定理  32
    2.5.2 平面波基组  32-33
    2.5.3 赝势  33-35
  2.6 本文采用的软、硬件环境和研究方法  35-41
    2.6.1 VASP与materials studio软件包简介  35-37
    2.6.2 硬件环境  37-38
    2.6.3 本文采用的研究方法  38-41
3 本征TiO_2的电子性质研究  41-48
  3.1 计算模型的建立  41
  3.2 计算参数的选择  41-43
    3.2.1 截断能大小的选择  42
    3.2.2 计算精度的选择  42
    3.2.3 K点的选择  42
    3.2.4 交换关联能的选择  42-43
  3.3 几何结构优化结果  43-44
  3.4 电子结构计算与分析  44-46
    3.4.1 能带结构  44-45
    3.4.2 态密度图  45-46
  3.5 TiO_2电子结构与其光催化活性的关系  46-47
  3.6 本章小结  47-48
4 3d、4d金属元素掺杂锐钛矿TiO_2的电子性质研究  48-55
  4.1 计算模型的建立  49-50
  4.2 计算参数的选择  50
  4.3 电子结构的计算与分析  50-54
    4.3.1 3d过渡金属掺杂  50-52
    4.3.2 4d金属掺杂  52-54
  4.4 本章小结  54-55
5 N/Zr共掺杂对锐钛矿TiO_2的电子性质研究  55-64
  5.1 计算模型的建立  55-56
  5.2 计算参数的选择  56
  5.3 形成能的计算  56-58
  5.4 电子性质的计算与分析  58-63
  5.5 本章小结  63-64
6 N/Ce共掺杂对锐钛矿TiO_2的电子性质研究  64-71
  6.1 计算模型的建立  64-65
  6.2 计算参数的选择  65
  6.3 形成能的计算  65-66
  6.4 电子性质的计算与分析  66-70
  6.5 本章小结  70-71
结论  71-72
参考文献  72-77
攻读硕士学位期间发表学术论文情况  77-78
致谢  78-79

锐钛矿型TiO_2晶体掺杂的第一性原理研究

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