外加電場對TiO2及摻雜TiO2(001)表面電子結構和光學性能影響的DFT研究.pdf

1、TiO2光催化經(jīng)過了多年的研究和發(fā)展，雖然已經(jīng)取得很大的成績，但是由于太陽光利用率低，還是沒有在工業(yè)上得到廣泛的應用，如何將TiO2的光催化能力從紫外區(qū)拓展到可見光區(qū)域仍然是當前國際研究的熱點和難點問題。半導體電助光催化技術一方面能夠通過外加電場促進光生電子與空穴的分離從而達到提高光催化技術處理效率;另一方面，由于電場作用產(chǎn)生Franz—Keldysh效應，光吸收邊加寬，并發(fā)生紅移，太陽光利用率提高，更有利于光催化反應。在光催化反應中，

2、光生電子—空穴的復合以及太陽光利用率低一直是限制光催化效率的主要因素，光電催化為解決這兩個難題提供了一個可行的方向，有望成為最有前途最實用的催化技術。本論文采用基于密度泛函理論的第一性原理研究了外加電場對體相TiO2、TiO2(001)、C摻雜TiO2(001)以及Cr摻雜TiO2(001)電子結構和光學性能的影響，主要研究結果如下:
　　(1)z方向電場作用下體相TiO2的電子結構和光學性質。隨著電場從0 V/(A)增加到0.2

3、5 V/(A)，能隙逐漸減小到0eV，導帶向費米能級方向移動，所有的能級變寬。當外加電場強度繼續(xù)增大到0.28 V/(A)，能帶結構發(fā)生坍塌，Z方向的Ti-O斷開。未加電場時，在近紫外區(qū)域(100nm至380 nm)TiO2的光吸收較好，而在可見光(380nm至650nm)區(qū)域TiO2的光吸收相對較差。在外加電場的作用下，TiO2的吸收范圍擴展到可見光區(qū)域，并且在可見光區(qū)域的光吸收強度增加。
　　(2)外加電場作用下TiO2(00

4、1)表面的電子結構和光學性質。隨著電場強度從0V/(A)增加到0.3 V/(A)，價帶向費米能級方向移動，電子的活性增大，在近紫外區(qū)域的光吸收增強，但是吸收邊沒有發(fā)生紅移，在近可見光區(qū)域內的光吸收隨電場強度的增大而減弱。
　　(3)外加電場作用下C摻雜TiO2(001)表面的電子結構和光學性質。隨著C的摻雜，在禁帶區(qū)域中引入了新的雜質能級，能帶帶隙減小，導致光吸收向可見光區(qū)域移動。隨著電場強度從0 V/(A)增加到0.08V/(A

5、)，價帶向費米能級方向移動，C-TiO2(001)對可見光的響應性增加，發(fā)生光電效應的幾率增加，在近紫外區(qū)域的光吸收增強，在可見光中的光學性能也有所增強，當電場強度為0.06V/(A)時，可見光區(qū)域的光吸收最佳。
　　(4)外加電場作用下Cr-TiO2(001)表面的電子結構和光學性質。隨著Cr的摻雜，在禁帶區(qū)域中引入了新的雜質能級，導帶底向費米能級靠攏，能帶帶隙減小，導致光吸收邊發(fā)生紅移。隨著電場強度從0V/(A)增加到0.3V