N、La共掺杂TiO_2的微观结构及性能.pdf

《N、La共掺杂TiO_2的微观结构及性能.pdf》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、张瑾等：N、La共掺杂TiO的微观结构及性能N、La共掺杂TiO2的微观结构及性能张瑾，朱忠其，高攀，柳清菊(云南大学材料科学与工程系，云南昆明650091)摘要：采用基于密度泛函理论的平面波超软赝势掺杂更高的光催化性能。Liu等_g合成了N和La共方法研究了N、La共掺杂TiO的晶体结构、电子结构掺杂TiO的光催化剂，与N—TiO。相比，该光催化剂和光学性质，计算结果表明，掺杂后TiO。的晶格常具有更好的可见光吸收特性和更高的光催化活性。齐数、原子间的键长和原子电荷都发生了变化，导致掺杂蕾等_1。。制备了La、N共掺杂的TiO光催化剂，与单后的八面体偶极矩增加，从而有

2、利于光生电子一空穴对掺N—TiO相比，光催化活性有明显的提高。但是目的分离，提高TiO的光催化性能，且共掺杂后带隙减前关于N和La共掺杂改性TiO均为实验研究，对掺小，导致光吸收带边红移到可见光区，而电子在La的杂改性机理的解释均停留在定性推测阶段。5d轨道之间的跃迁使共掺杂TiO在可见光区有较好与实验研究相比，利用计算机模拟计算可以克服的光吸收特性。实验研究中各种不利因素的影响，更有利于研究掺杂关键词：TiO；N、La共掺杂；光催化剂；第一性原理元素对体系电子结构和光学性质的影响l_】]。为了进中图分类号：O472；O77文献标识码：A一步研究La、N掺杂对锐钛矿相T

3、iO。光催化性能的文章编号：1001—9731(2O13)05—0627—05影响机制，本文计算了N、La分别单掺杂及共掺杂TiO光催化剂的晶体结构、电子结构、光学性质，并分1引言析比较了La、N共掺杂TiO与分别单掺杂Ti0及纯作为光催化环境净化材料，TiO由于具有无毒、TiO在晶体结构、电子结构、光学性质和氧化还原能成本低、稳定性好等诸多优点而应用于太阳能电池、污力等方面的差异，以解释La、N共掺杂对TiO光催化水处理及空气净化、抗菌及自清洁等领域，是研究得最性能影响的机理。多也是最具研发潜力的光催化剂。但由于TiO是宽2计算模型和相关参数设置禁带半导体氧化物，只能

4、被波长较短的紫外光激发，而这部分能量仅占到达地面的太阳光能的约59／6，使得具有I4／amd空间结构的锐钛矿相TiO属于四其对太阳能的利用率低；而且在TiO中受光激发生方晶系，每个晶胞含有4个Ti原子和8个O原子。本成的电子一空穴对易于复合，降低了其光量子效率。因文采用基于密度泛函理论的平面波超软赝势方法结合此，对TiO。进行改性以使其光催化性能的激发光波超晶胞模型，对N、La共掺杂TiO的晶体结构、电子长红移至可见光波段，以及降低光生电子一空穴的复合结构和光学性质进行模拟计算。本文计算所采用的超率，是提高TiO光催化性能并使之得到推广应用的晶胞模型如图1所示。关键。近

5、些年来，已有众多的研究者对TiO进行了改性研究，常见的改性方法主要有离子掺杂口]、贵金dopingsite属沉积_4]、半导体复合及染料敏化等，其中离子掺杂被证明是有效的改性方法。镧系稀土元素由于其独特的电子结构和光学性质，可作为较理想的掺杂物在晶体结构、能带结构、光吸收性能等方面对TiO光催化剂进行改性[7；另一方面，由于TiO中O的2p轨道和N的2p轨道能量接近，这两个轨道杂化后使得价带宽化，禁带宽度相应图1N、La共掺杂锐钛矿相TiO的超晶胞模型及掺地减小，从而使N掺杂的TiO能吸收可见光_8]。以杂原子的位置往的研究大多是对TiO进行单一稀土或N离子的掺Fig1

6、SupercellmodelofLa，NcodopedanataseTiO2杂，最新研究表明，对TiO。进行稀土和N离子共掺andthesiteofdopants杂，可以利用离子间的协同作用进一步提高TiO2催图1由两个正格矢晶胞分别沿a和b轴排列而化剂的光吸收范围和催化活性，使其具有比单一离子*基金项目：国家自然科学基金资助项目(50862009，51062017)收到初稿日期：2012—08—26收到修改稿日期：2012—11—08通讯作者：张瑾作者简介：张瑾(1976一)，女，云南龙陵人，讲师，主要从事环境材料研究。628助材料2013年第5期(44)卷成，含有4

7、8个原子，其中一个Ti原子被La原子取代，接近，说明计算方法是合理的。一个O原子被N原子取代，掺杂浓度各为2．08。杂质形成能通常被用作分析比较不同离子掺杂的本文采用CASTEP模块进行计算。考虑到掺杂相对难易程度，本文中杂质形成能Er的定义采用如下原子对晶格参数的影响，原子被取代后进行了结构优形式：化计算。计算过程中，交换一关联能采用LDA中的11Ef—ET。o：D—ET。()一，÷EN，一ElJa+÷E+ECA—PZ方案，平面截断能设为380eV，k—points设置为一厶厶3×7×3，自洽场的收敛标准设置为5×10一eV／atom，