Pt掺杂锐钛矿相TiO2光催化剂的微观机理研究.pdfVIP

龚 昌杰 等 ：Pt掺杂锐钛矿相 TiO 光催化剂 的微观机理研究 Pt掺杂锐钛矿相 TiO2光催化剂的微观机理研究 龚昌杰，高 攀 ，柳清菊 (云南大学 云南省高校纳米材料与技术重点实验室，云南 昆明650091) 摘 要： 采用第一性原理平面波超软赝势方法研 究 2 计算模型和方法 了Pt掺杂锐钛矿相 TiO。的晶体 结构、电子结构和光 学性质 ，结果表明，Pt掺杂后锐钛矿相 Tio 晶格产生 2．1 计算模型 畸变，晶胞体积增大晶胞 内部八面体偶极矩增加 ；Pt5d 锐钛矿相 (anatase)TiO2属 四方 晶系 (I41／amd， 轨道与 O2p轨道 、Ti3d轨道杂化，分别在价带顶和导 D19)，基本组成单元是TiO 八面体，在八面体中，一个 带底产生杂质能级，禁带宽度变小，光吸收带边红移至 Ti被 6个 O卜包 围，每个八面体与四周的八面体相 可见光 区。理论计算结果与文献报道的实验结果基本 连 (4个共面 ，4个共顶角)。本文计算采用如图 1所示 一 致，较好地阐明了Pt掺杂提 高锐钛矿相 TiO 光催 的Pt掺杂锐钛矿相 TiO。的2×2×1晶胞模型，晶胞 化性 能 的机理 。 顶点的一个 Ti原子被 Pt取代 ，掺杂的原子分数约为 关键词 ： 锐钛矿相 TiO ；Pt掺杂 ；微观结构 ；光谱吸 2．08 。 收 ；第一性原理 中图分类号 ： 0472；077 文献标识码 ：A 文章编号 ：1001—9731(2011)O6—1123—04 Pt o 1 引 言 11 TiO 半导体光催化剂具有来源丰富、性质稳定、 无毒副作用等优点，在光解水制氢_】]、太 阳能转换L2]、 环境净化 等方面具有很大的应用潜力。但由于锐钛 矿相 Tio 禁带宽，无法有效利用可见光 ，且量子产率 极低 ，极大限制 了其实际应用。针对上述 问题，近年来 图1 Pt掺杂锐钛矿相 TiO 超 晶胞模型 已有众多研究者对 TiO 进行改性研究，如离子掺 Fig 1SupercellmodelofPt—dopedanataseTiO2 杂[4,s3、染料敏化 ]、贵金属沉积[7]、半导体复合[8等以 2．2 计算方法 提高其对可见光的吸收，并减小光生载流子 的复合，其 本文计算都是在 MaterialsStudio下的 CASTEP 中离子掺杂作为一种有效而且优势明显 的改性方法得 模块 中完成 ，电子与电子 的相互作用中的交换关联效 到 了广泛研究，如 Raviehandran等 制得 Pt掺杂 应用局域密度近似 (LDA)中的CA—PZ方案处理 ，采用 Ti0 光催化剂，大大提高了光吸收率 。刘秀华等 。。制 超软赝势(Ultrasoftpesudopotentia1s，USP)描述离子 备的Pt掺杂 TiO 粉体对可见光有 明显吸收 。S．Kim 实与电子的相互作用势，Ti、O、Pt各原子的价 电子组 等L11]制备的Pt掺杂 TiO 粉体，在可见光下对有机污 态分别为 Ti一3s。3p3d4s，O一2s。2p，Pt一5d。6。价 电 染物具有优 良的降解效率。尽管 Pt掺杂锐钛矿相 子平面波函数截止能 (EnergyCut-off)设置为 380eV。 TiO 的实验研究已取得不少结果，但 Pt掺杂提高其 所有的计算都在倒易空间中进行 ，布里渊区积分计算 光催化活性 的机理并不明确 。