掺杂改性二氧化钛光催化剂的第一性原理研究

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1、北京化工大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中己经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。关于论文使用授权的说明学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京化工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校

2、可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。作者签名：方玉导师签名：甜粹7，3N日期：垄丝：』!苎日期：边衅丘乒一学位论文数据集中图分类号TQ0t9学科分类号530论文编号1001020140100密级公开学位授予单位代码10010学位授予单位名称北京化工大学作者姓名方玉学号2011200100获学位专业名称化学工程与技术获学位专业代码08170l课题来源自然科学基金项目研究方向光催化论文题目掺杂改性二氧化钛光催化剂的第一性原理研究关键词二氧化钛，第

3、一性原理，掺杂，光催化活性，电子和光学性质论文答辩日期2014年5月19日论文类型基础研究学位论文评阅及答辩委员会情况姓名职称工作单位学科专长指导教师毋伟教授北京化工大学化学工程评阅人1张皴教授北京化工大学化学工程评阅人2程道建副教授北京化工大学化学工程评阅人3评阅人4评阅人5答辩委员会主席陶霞教授北京化工大学化学工程答辩委员1张皴教授北京化工大学化学工程答辩委员2徐联宾教授北京化工大学化学工程答辩委员3宋云华副教授北京化工大学化学工程答辩委员4蒲源讲师北京化工大学化学工程答辩委员5注：一．论文类型：1．基础研究2．应用研究3．开发研

4、究4．其它二．中图分类号在《中国图书资料分类法》查询。三．学科分类号在中华人民共和国国家标准(GB厂r13745—9)《学科分类与代码》中查询。四．论文编号由单位代码和年份及学号的后四位组成。摘要掺杂改性二氧化钛光催化剂的第一性原理研究基于二氧化钛(Ti02)的光催化材料具有光催化活性高、稳定性好、对人体无毒、成本低等特点，在光催化分解水、太阳能电池和环境保护等领域具有广阔的应用前景。然而，大的禁带宽度(金红石结构：3．0eV，锐钛矿结构：3．2eV)导致纯Ti02在光催化中对可见光的吸收利用率很低，而光生电子和空穴的复合也会一定程度

5、上降低纯Ti02的光催化效率。因此，通过掺杂来降低Ti02的能带和防止Ti02中电子和空穴的复合已经成为一种调控Ti02光催化性能的重要手段，逐渐引起人们的高度重视。本论文采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法，系统地研究了各种掺杂体系的电子结构及其相关的光谱吸收等性质，从微观角度揭示了通过掺杂降低Ti02的能带和防止Ti02中电子和空穴复合的机理。主要的研究内容和研究结果如下：(1)利用密度泛函理论加U(GGA+U)的方法计算了(Nb+Sb，C)共掺杂金红石型Ti02体系的电子结构和光学性质，在该体系中我们用一个铌(Nb)和一个锑

6、(Sb)原子来替换纯Ti02的钛(Ti)原子，用一个碳(C)原子来替换纯Ti02的氧(O)原子。这种替换掺杂体系目前尚未见报道。研究结果表明(Nb+Sb，C)共掺杂Ti02体系的禁带宽度只有1．8eV，它可以很好的吸收可见光，提高Ti02的光催化性能，我们预测这将是一种优良的光催化剂。T北京化工大学硕士学位论文(2)利用GGA+U的方法研究了(N，Sn)掺杂锐钛矿型Ti02的电子和光学性质，并对Sn．，(N，Sn)和(2N，Sn)掺杂锐钛矿Ti02体系进行了计算。这种替换掺杂体系的理论研究目前尚未见报道。结果显示出Sn单掺杂和(N，S

7、n)共掺杂体系并不能降低锐钛矿Ti02的带隙能，而两个相邻的0被N取代和任意一个Ti用Sn取代之后的(2N，Sn)掺杂体系使得锐钛矿Ti02的带隙明显下降。相反，两个相距比较远的O被N取代和任意一个Ti被Sn取代之后的(2N，Sn)掺杂只能使Ti02的带隙有微小的下降。这是由于相邻的O在被N取代之后，产生了N-N耦合键，使得掺杂体系的能带降低。这一理论结果对N．Sn共掺杂Ti02表现出的明显的光催化活性的实验研究结果提供了合理的解释。(3)利用GGA+U的方法计算了F掺杂浓度对锐钛矿型Ti02和Ti02(101)表面的电子结构，研究中

8、分别用1到4个F原子对Ti02进行掺杂。有关这方面的理论研究目前尚未见报道。结果发现，F掺杂造成了体系的电子不平衡，出现多电子的现象。随着F掺杂浓度的逐渐增大，这种电子不平衡的现象越来越严重，导致了晶格缺陷，从而增大其可