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TiO2是一种具有优良物理化学性质的半导体材料,已经在防晒类化妆品、杀菌和光催化降解有机物等领域有了广泛的应用。这些应用主要是基于TiO2对紫外光的吸收以及锐钛矿相TiO2的光催化降解原理。为了扩大TiO2的光吸收范围,增大在可见光下的光催化降解效率,科研工作者尝试了多种方法,取得了一定的进展,也遇到了一些困难和争论。基于以上问题,本文应用第一性原理计算方法对部分单掺杂和双掺杂锐钛矿相TiO2进行了理论计算,并结合实验进行分析,得出了相关的结论。本文的主要工作包括: 首先阐述了TiO2的性质、催化原理和最近的研究进展,介绍了第一性原理、密度泛函理论、局域密度近似、广义梯度近似和CASTEP软件等基本概念。然后利用CASTEP对C掺杂锐钛矿相TiO2进行了理论计算,发现C掺杂后禁带宽度增大,在带隙中出现了杂质能级,这些能级可以作为光生电子的供体和受体,从而引起可见光的吸收。并且定量计算了掺杂可能引起的吸收边,与其他工作者的实验结果比较吻合,解释了实验得到的吸收光谱的物理机理。 接着我们计算了V掺杂锐钛矿相TiO2的电子结构,结果显示V掺杂在导带的底部引入了杂质能级,使得禁带宽度减小,预测了掺杂前后 TiO2的吸收边分别是384nm和448nm,吸收峰为294nm,并且掺杂前后吸收峰没有变化;采用溶胶-凝胶法制备了多种掺杂浓度的TiO2薄膜,发现掺杂前后吸收峰均为300nm左右,吸收边红移大小随TiO2浓度的增大先增大后减小,在1％处达到最大值。掺杂前后的吸收边与理论预测都比较符合,从而说明了光谱与电子结构的内在联系。 最后我们对几种双掺杂TiO2进行了理论研究,先进行了双掺杂所涉及元素的单掺杂TiO2的理论分析,发现不同的掺杂对TiO2能带结构的改变有不同的结果。接下来我们对双掺杂作了相应的理论计算,发现掺杂后与掺杂前相比,禁带宽度都有所减小,在理论上都可以引起光吸收的红移。总结出为了达到较好的掺杂效果,双掺杂应该能够使禁带宽度减小、增大价带顶或者导带底能带的密度和消除单掺杂引入的深能级。这些因素有利于TiO2吸收可见光,消除单掺杂引入的负面影响,进而可能提高催化效率。