C-Al摻雜及C+Al共摻雜TiO2(101)面的第一性原理研究.pdf

1、TiO2作為一種優(yōu)良的光催化劑，因其成本低、無毒、化學穩(wěn)定性好、不易腐蝕等優(yōu)點而受到人們的廣泛關(guān)注。但是，TiO2是寬禁帶半導體（銳鈦礦～3.20eV），只能吸收利用太陽光中4％的紫外光，從而嚴重限制了TiO2的應(yīng)用范圍。因此，為了提高TiO2對可見光的利用率，科研人員做了大量的研究工作，其中離子摻雜是目前研究較多也比較有效的一種改性技術(shù)。此外，從TiO2的光催化機理來看，TiO2的光催化反應(yīng)主要發(fā)生在顆粒表面，也就是說表面性質(zhì)對TiO

2、2的光催化性能有著較大的影響。本文選取了銳鈦礦TiO2最穩(wěn)定的低指數(shù)表面-(101)面作為研究對象，并采用基于密度泛函理論的第一性原理計算方法研究了C/Al單摻雜和C+Al共摻雜TiO2(101)面對其晶體結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)和光學性質(zhì)的影響。
　　對于C-TiO2(101)體系，我們選取了C在三種不同位置摻雜TiO2(101)面，即C替代晶格中的O原子（CO）、C替代晶格中的Ti原子（CTi），以及間隙摻雜（Cin），作了系統(tǒng)地研究。

3、結(jié)果表明，CTi和Cin摻雜時晶格畸變程度較大，并在表面都形成了平面CO3單元，導致了體系帶隙的減小從而引起了吸收邊的紅移。CO摻雜對其晶體結(jié)構(gòu)幾乎沒有影響，其帶隙也并未發(fā)生改變，卻在禁帶中引入了雜質(zhì)能級導致了其吸收邊的紅移。在這三種摻雜組態(tài)中，CO摻雜體系的吸收邊紅移量最大并且它對可見光的吸收能力最強。
　　對于Al-TiO2(101)面，Al對Ti原子的替代并未對TiO2的晶體結(jié)構(gòu)造成明顯地畸變。通過電子結(jié)構(gòu)和光學性質(zhì)的計算發(fā)

4、現(xiàn)Al原子的摻入導致了TiO2的吸收邊發(fā)生紅移，分析認為這是由于雜質(zhì)能級的形成而不是帶隙的減小引起的。并且，Al摻雜TiO2表面比摻雜體相TiO2更能有效地提高其在可見光區(qū)域的吸收效率。
　　對于C+Al-TiO2(101)體系，晶體結(jié)構(gòu)畸變程度較小，C和Al原子共替位摻雜TiO2并沒有改變體系的禁帶寬度，卻在帶隙中引入了3條由O2p、C2p和Ti3d軌道雜化而成的雜質(zhì)能級，這是TiO2吸收邊紅移的主要原因。通過對光學性質(zhì)的計算發(fā)