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锐钛矿相Ti02是一种典型的宽带隙的半导体,只能对紫外光产生响应,而对可见光部分不能吸收,导致对太阳能的利用率较低。Ti02的光生电子和空穴都不稳定,很容易复合,光量子效率低。这两个方面的问题极大地限制了 Ti02在光催化方面的应用。为了解决这些问题,对Ti02进行改性作为一种有效的手段已被广泛研究。大多数的催化反应都是发生在材料的表面,对表面进行掺杂以改善表面电子结构获得与可见光相匹配的TiO2表面更是光催化研究中的一个热点。为了探索锐钛矿相Ti02掺杂改性的机理,进一步改善其在可见光区的光催化活性,本文通过密度泛函计算研究了 C/Fe掺杂锐钛矿相TiO2(101)表面的电子结构和光学性能。同时,还研究了不同掺杂方式和位置对Ti02(101)表面各项性能的影响。常规密度泛函理论是一个很有效的研究工具,但总是低估带隙。采用DFT+U的方法有可能克服这一缺陷,但需要引入参数U,而U值的确定却不容易,因为其与化学环境有关。鉴于此,我们采用高斯09中基于高斯型轨道的HSE06杂化泛函和6-31G基组描述Ti02表面的电子结构和性质,特别是带隙,并且不需要引入任何经验参数。C掺杂后,锐钛矿相Ti02(101)表面结构发生一定程度的畸变,并且间隙掺杂引起的结构畸变程度比替位掺杂产生的畸变程度大。掺杂表面在还原条件下表现出相对较高的稳定性,并且当C替代二配位的桥位02c时,结构最为稳定。C替位掺杂后引入深杂质能级,很容易成为电子-空穴对的复合中心。C间隙掺杂结构中引入浅杂质能级,并能产生可见光响应,从而改善锐钛矿相TiO2(101)表面在可见光区的光催化活性。Fe掺杂锐钛矿相TiO2(101)表面更容易在氧化条件下合成,其中,Fe替位五配位Ti5c的掺杂结构最容易被合成。替位掺杂后,带隙几乎没有变化,并在带隙中间引入深杂质能级,不能有效改善表面的光催化活性。间隙掺杂后,杂质能级出现在价带顶和导带底,并与价带顶和导带底发生耦合,促使带隙减小,使光吸收带边发生一定程度的红移。此外,还有效促进了光生电子-空穴对的分离,故Fe间隙掺杂的结构能够改善锐钛矿相TiO2(101)表面在可见光区的光催化活性。共掺结构在氧化条件下表现出相对较高的稳定性。Fe5cC2c结构的形成能最低,也最容易被合成。由于协同作用,杂质能级同时出现在导带底和价带顶,表现出优于单掺的独特的电子结构。Fe5cC2c和Fe6cC2c两种结构中,杂质能级分别与导带和价带耦合,不仅导致了带隙的减小,使光吸收带边明显红移,而且还能有效地抑制光生电子-空穴对的复合。这样既产生了对可见光的响应,又大大提高了光量子效率,从而有效提高Ti02在可见光区的光催化活性。