N_F共掺杂锐钛矿二氧化钛_101_面纳米管的第一性原理研究.pdfVIP

网络出版时间：2015-06-09 16:14 网络出版地址：/kcms/detail/11.1958.O40824.001.html 物理学报 Acta Phys. Sin. Vol. 64, No. 14 (2015) 147103 N-F共掺杂锐钛矿二氧化钛(101)面纳米管的 第一性原理研究 朱学文 徐利春 刘瑞萍 杨致 李秀燕 (太原理工大学物理与光电工程学院, 太原 030024) ( 2015 年1 月24 日收到; 2015 年3 月3 日收到修改稿) 共掺杂是提高二氧化钛纳米管可见光催化性能的一种有效方式. 采用基于密度泛函理论的第一性原理方 法, 研究了N 单掺杂、F 单掺杂及N-F 共掺杂二氧化钛纳米管的原子结构、电子性质和光学性质. 计算结果表 明, 相比N 单掺杂和F 单掺杂, N-F 共掺杂二氧化钛纳米管的形成能更低, 掺杂后的体系热力学稳定性更好. 此外, 相比未掺杂时的带隙, N-F 共掺杂后体系的带隙变化最多, 减少了0.557 eV, 而这主要源于价带顶附近 的杂质能级的贡献. 此外, 通过分析掺杂后的光催化活性发现, N-F 共掺杂时纳米管的还原性和氧化性都有 所降低, 但并没有丧失活性, 并且光吸收谱表明, 共掺杂体系的红移现象最为明显. 因此, N-F 共掺杂可有效 提高二氧化钛纳米管可见光的光催化性能. 关键词: 二氧化钛纳米管, 掺杂, 电子结构, 光学性质 PACS: 71.15.Mb, 78.67.Ch, 73.20.At DOI: 10.7498/aps.64.147103 明共掺杂的体系都降低了TiO 的禁带宽度, 并提 1 引 言 高了体系的光催化活性. 考虑到TiO 体结构在比表面积、电子传输等 二氧化钛(TiO ) 是一种重要的半导体材料, 方面不及其低维结构, 目前研究TiO 的热点多转 其具有无毒、氧化力强、光催化活性高和化学稳 13 14 向一维纳米结构: 纳米管、纳米片 和纳米棒 . 定性好等优点, 因而被广泛应用于环境保护、能 源利用、光解水制氢和有机物污染降解等领域1 . 其中, 内部中空的纳米管由于具有更大的比表面 15 16 积而受到人们的青睐 . Hoyer 等 在1996 年利 自1972 年日本科学家Fujishima 和Honda 发现了 用氧化铝特有的多空洞特性, 通过电化学沉积的 TiO 的光解水能力后, 研究者们对TiO 的光催化 2 方法首次制备了内直径为 70—100 nm 管壁厚度