【摘要】：共摻雜是提高二氧化鈦納米管可見光催化性能的一種有效方式。為了提高二氧化鈦(TiO2)納米管的光催化性能，人們做了大量的實驗，并制備了TiO2納米管摻雜體系，但是摻雜對體系的影響機理研究的不多。本文采用VASP軟件計算包中密度泛函理論的第一性原理方法對N與鹵素共摻雜的納米管體系進行了研究，其中研究了N單摻雜、鹵素單摻雜及N與鹵素共摻雜銳鈦礦(101)面二氧化鈦納米管中(6,0)管的原子結構、電子性質、光學性質和標準氫電勢下的光催化水解。在本文中，雜質元素取代摻雜的是納米管中的氧(O)元素，其中納米管中O元素存在兩種形式：二配位氧(O2C)和三配位氧(O3C)。 本文首先對N、F摻雜納米管體系做了系統(tǒng)的研究，計算結果表明，N、F元素單摻雜替換納米管中的O3C時，體系結構最為穩(wěn)定，N-F共摻雜納米管時雜質元素同時取代納米管中的O3C時，結構也最為穩(wěn)定。通過分析N、F及N-F摻雜后體系的能帶和態(tài)密度我們發(fā)現(xiàn)，對于N單摻雜體系，納米管帶隙減小，價帶頂出現(xiàn)了雜質能級，并且該雜質能級由N和O共同提供；對于F單摻雜體系，摻雜對納米管的帶隙影響不大，但是改變了納米管的費米能級位置，使費米能級進入了導帶底，這表明F的加入改變了納米管中電子的填充情況；對于N-F共摻雜體系，不僅在納米管體系中出現(xiàn)了雜質能級，而且降低了導帶底的位置，大大減小了納米管的帶隙(減小了0.557eV)。通過在標準氫電勢條件下研究摻雜后體系的氧化還原能力發(fā)現(xiàn)，納米管的還原能力強于體材結構，N單摻雜與N-F共摻雜體系的氧化還原能力稍有所下降但是帶隙的減小使納米管的光吸收能力大大提高；而F摻雜后的體系導帶底幾乎與H2O分子中H+的還原勢位于同一水平線上，這說明該體系還原H2O的能力幾乎喪失，但是價帶頂距離H2O分子的O2-的氧化勢距離較遠，這說明納米管的氧化能力有所提升。在差分電荷分析中，，雜質元素的得失電子能力與O元素的相比發(fā)生了嚴重的變化，改變了原有體系的電子分布情況。通過分析各體系的光學性質可知，摻雜后納米管的光吸收能力都有所提升，其中N-F共摻雜的體系最為理想。 為了進一步探索材料的改性，本文對其他鹵素(Cl、Br、I)單摻雜以及N與其他鹵素共摻雜TiO2納米管進行了系統(tǒng)的研究。計算結果表明，Cl元素取代摻雜納米管的O3C時結構最為穩(wěn)定；由于Br在摻雜過程中結構的能量難以達到穩(wěn)定的收斂標準，因此Br在單摻雜納米管過程中的結構難以形成；而I元素只有取代摻雜納米管的O2C時結構最為穩(wěn)定。并且，Cl和I單摻雜納米管的能帶、態(tài)密度、帶隙、氧化性和光學性質都與F單摻雜的情況相似。在N分別與Cl、Br、I共摻雜的體系中，N-Cl、N-Br都是雜質元素同時取代摻雜O3C時結構最為穩(wěn)定，而N-I則是雜質元素取代摻雜O2C時結構最為穩(wěn)定。通過比較各種摻雜體系發(fā)現(xiàn)，N-I共摻雜的納米管帶隙減小最大，光吸收能力最強，而納米管的還原能力降低也最大，因此在實驗材料制備與摻雜材料選擇時還應綜合考慮實際的效益來選擇不同的摻雜性質。
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【學位授予單位】：太原理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TB383.1;O614.411

【參考文獻】

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本文編號：2392866