随着工业的发展,由于废气的乱排乱放,当今世界的环境污染日益严重。怎样快速而有效的监控、治理环境中受污染气体,是当今世界研究的热点问题。TiO₂是一种稳定的金属氧化物,同时,也是一种拥有许多优点和缺点的半导体,它的优点是:价格低廉、无毒无污染,并且,TiO₂耐高温并且不易受化学反应的影响。光学气敏传感效应是通过在吸附气体后改变材料的光学性质来反映环境气体成分。TiO₂是一种灵敏度高,响应时间短的光学气敏传感材料。通过掺杂非金属元素或者金属元素来改变锐钛矿TiO₂表面的氧化还原性能,从而研究对气体分子的吸附特性来提高光学传感特性已成为近年来的研究热点,它可用于检测和监测环境污染。本文的研究思路如下:氧空位吸附气体的本质就是电子的得失,吸附还原性气体,就要增强氧空位的氧化性,相反吸附氧化性气体就要增强氧空位的还原性,而要想增强或者减弱氧空位氧化还原性的措施就是通过掺入杂质原子;因此,本文通过在不同的非金属掺杂锐钛矿TiO₂表面吸附还原性气体来分析表面的氧化性能,以及通过强氧化性气体在不同金属掺杂锐钛矿TiO₂表面的吸附结构优化后,分析其表面的还原性能,从而研究材料表面的光学气敏特性。具体研究内容和过程如下:1.采用第一性原理平面波超软赝势的方法,模拟计算了含氧空位锐钛矿TiO₂（101）表面单掺杂非金属C元素、N元素、F元素以及双掺杂C-N元素、C-F元素、N-F元素后吸附NH₃分子的微观机理。分析发现:C掺杂提升了材料对低能可见光的响应;而C-N双掺杂体系,使材料对400nm⁵70nm范围内的可见光吸收系数大大提高。所以,单掺杂C元素以及双掺杂C-N元素都能明显的提高材料的光学气敏传感特性。2.计算研究了Cu、Cr元素掺杂锐钛矿型TiO₂表面以及清洁表面含氧空位吸附SO₂分子的结合能、吸附能、吸附距离、电荷布居、态密度、电荷转移、光学性质等。研究发现:掺杂表面能稳定的吸附SO₂分子,吸附后材料的光学性质发生显著变化,三种表面吸附SO₂分子后,表面都失去电子,得出表面的还原性的强弱为:Cr>Cu>无掺杂;通过对比吸收光谱和反射光谱发现Cr掺杂基底在可见光范围内的净吸收最大。因此,对于吸附氧化性气体,Cr掺杂的TiO₂是一种更好的光学气敏传感材料。3.计算了Cu、Cr元素掺杂锐钛矿TiO₂表面以及清洁表面含氧空位吸附O₃后的物理量,分析发现:氧化物表面氧化性强弱关系为:Cr掺杂表面>Cr掺杂表面>无掺杂表面;分析光学性质发现:Cr掺杂体系对光的利用率最高;Cr元素掺入基底,使光学气敏材料TiO₂表面的光学气敏传感特性有显著提高。通过以上研究,发现TiO₂表面杂质具有如下特性:对于非金属掺杂,由于C-N掺杂的协同作用,使基底得到电子的能力增强,因此提高了表面的氧化性,改善了表面对还原性气体的光催化性能;对于过渡金属掺杂,由于Cu和Cr元素最外层都是4S电子,而4S层电子很容易失去电子,故降低了表面的氧化性,因此对于吸附氧化性气体而言,Cu-Cr共掺杂TiO₂可有效提高TiO₂的光学气敏性能。