S、Mn共掺杂锐钛矿相TiO2电子结构和光学性质的第一性原理研究.pdfVIP

助 锨 财 料 2Ol3年第1期(44)卷 S、Mn共掺杂锐钛矿相 TiO 电子结构和 光学性质的第一性原理研究 朱 良迪 ，张 瑾，朱忠其，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： 采用基于密度泛 函理论的第一性原理平面 性纳米 Ti()。，结果表明Mn、Ru、V等金属离子 的掺入 波超软赝势方法研 究了纯锐钛矿相 T|()，S、Mn分别 可以使吸收带边红移到可见光区；吴树新等 利朋浸 单掺杂及共掺 杂Ti() 的晶体结构 、杂质形成能、电子 渍法分别制备了Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu6种过渡金属 结构 、光学性质和带边位置。计算结果表 明，掺杂后 离子掺杂 改性 的 TiO 光催化剂 ，结果表 明掺杂后 Ti{)：的晶格发生畸变，原子 问的键长、原子的 电荷量 TiO 的光催化性能都有不同程度的改善。Asahi等 以及晶体体积都发生变化 ，导致晶体 中八面体偶极矩 研究 了N、S、P等非金属元素掺杂 TiO 的光催化活 增大 ，从而有利于光生电子一空穴对的分离；S掺杂在 性 ，结果表明，掺杂后 TiO。的光催化活性都有一定程 Ti() 的价带顶部形成杂质能级，Mn掺杂在 Ti() 的 度提高；Umebayashi等 引以TiS：为原材料通过氧化 导带下方和费米能级 附近形成杂质能级 ，共掺杂后 退火法制备出含 S的锐钛矿相 TiO ，实验结果表明微 Ti()禁带宽度变窄，光学吸收带边发生红移 ，Ti()在 量的 S取代 了TiO 晶格中的 ()而形成 Ti() S 品 可见光区有明显的吸收 ；同时S、Mn共掺杂后TiO：的 体 ，Ti()。的禁带宽度变窄，吸收带边红移 。住理论研 带边位置发生了明显变化 ，氧化还原能力增强，有利于 究方面 ，Umebayashi等 …利用全势线性缀加平面波 提高光催化效率 法计算了V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni等 3d过渡金属掺杂锐 关键词 ： 锐钛矿相 TiO。；S、Mn共掺杂 ；第一性原理 钛矿相 Ti() 的电子结构 ，计算结果表 明掺杂离子的 中图分类号 ： 0472；O77 文献标识码 ：A t 态在禁带中产生了杂质能级 ，随着掺杂原子序数的 文章编号：1f)()l一973l(20l3)01-0022—06 增大 ，杂质能级位置 向低能级方 向移动，当 Mn掺杂 Ti()时 ，杂质能级位于禁带中部 ，掺杂离子形成的杂 1 引 言 质能级对 Ti()光吸收范围的扩展有着重要 的作 j}j。 半导体光催化氧化技术被认为是一种有前途的新 Hossain等 采用平面波超软赝势方法研究 了 (：、N、 型高级氧化技术 ，它在环境保护领域有着广泛应用 ，如 S掺杂 TiO。的电子结构和光学性质 ，结果表明 (、、N、S 空气净化 、杀菌消毒 j、废水处理 、表面 自洁和再 掺杂后 Ti() 的光催化活性都有一定程度提高，其中s 乍能源应用 等。Ti()作为一种重要的环境半导体 掺杂 TiO 在价带顶由S的3p轨道和 O的2p轨道杂 材料，具有光催化活性强、化学性能稳定、安全无毒、廉 化形成新的杂质能级 ，使禁带宽度减小，导致吸收带边 价 、无二次污染 、资源丰富等优点 ，因而在光催化和光 红移 。 电化学领域引起了强烈关注 ，成为极具潜力的光催 在以往 的研究 中，大 多是对 Ti()。进行单一离子 化剂 ，尤其是锐钛矿型 T