本文關(guān)鍵詞：N、F單摻及共摻雜銳鈦礦型二氧化鈦的第一原理研究

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【摘要】：銳鈦礦TiO2是一種成本低廉、安全沒(méi)有毒性、耐腐蝕且化學(xué)性質(zhì)比較穩(wěn)定的半導(dǎo)體材料,正因?yàn)樗哂猩鲜鲞@幾個(gè)特點(diǎn)被大家看作是最有研究?jī)r(jià)值和發(fā)展前程的綠色環(huán)保的光催化材料。但是它有一個(gè)缺點(diǎn),就是帶隙大導(dǎo)致的只能吸收太陽(yáng)光中波長(zhǎng)小于387nm的部分,而滿(mǎn)足這個(gè)波長(zhǎng)條件的光在太陽(yáng)光中只占一小部分,這無(wú)疑阻礙了二氧化鈦的應(yīng)用,所以近些年有眾多的研究學(xué)者們熱衷于如何提高二氧化鈦的光催化性能的研究上,這其中最受關(guān)注的便是異質(zhì)元素?fù)诫s了,具體摻雜方法還可以細(xì)分為金屬單摻、非金屬單摻,以及兩種金屬共摻、兩種非金屬共摻和金屬與非金屬共摻這五種情況。本文選擇了兩種非金屬元素氮和氟進(jìn)行摻雜,運(yùn)用第一原理計(jì)算方法對(duì)純銳鈦礦型TiO2的電子結(jié)構(gòu)以及經(jīng)過(guò)N/F單摻和共摻后的電子結(jié)構(gòu)展開(kāi)了一系列的計(jì)算分析。首先,本文利用LDA.GGA兩種近似方法對(duì)沒(méi)有進(jìn)行過(guò)任何摻雜的銳鈦礦型TiO2進(jìn)行計(jì)算研究,結(jié)果表明由GGA方法算得的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值更貼近,但是由于眾所周知的原因DFT總是低估帶隙的寬度,我們采用GGA+U方法進(jìn)行修正,我們選取了三種不同的U值組合進(jìn)行測(cè)試計(jì)算,通過(guò)計(jì)算結(jié)果從三組值中選擇一組最優(yōu)的U值來(lái)應(yīng)用于本文之后所有摻雜模型的計(jì)算。然后,我們計(jì)算了氮氟單摻雜二氧化鈦的情況,氮和氟均是以替代氧原子的方式進(jìn)行摻雜,基礎(chǔ)模型是2x2x2銳鈦礦相二氧化鈦,氮單摻雜的濃度選為2.1%,氟單摻雜的濃度選為1.05%。結(jié)果表明：氮摻雜通過(guò)引入雜質(zhì)能級(jí)的方法來(lái)提高二氧化鈦的光催化性能,而氟摻雜則是通過(guò)縮小帶隙,使吸收光紅移來(lái)提高其光催化性能。研究了不同元素?fù)诫s帶來(lái)的影響后,進(jìn)而又研究了不同濃度對(duì)摻雜改性方面的影響,我們構(gòu)造了三種大小的晶胞模型,分別是2×2×1、2×2×2、3×2×2,摻雜原子種類(lèi)及數(shù)目相同,均是兩個(gè)氮替代兩個(gè)氧,一個(gè)氟替代一個(gè)氧,這樣就構(gòu)成了三種不同摻雜濃度的模型(N:4.2%F:2.1%:N:2.1%F:1.05%；N: 1.4%F:0.7%),需要注意的是在摻雜時(shí)讓摻雜原子的位置保持相對(duì)一致,排除摻雜位置對(duì)結(jié)果的影響。最終得出結(jié)論：共摻雜結(jié)合了各自單摻雜時(shí)的優(yōu)點(diǎn),實(shí)現(xiàn)更佳的效果；在本文的研究范圍內(nèi),如果摻雜濃度增大了,銳鈦礦二氧化鈦所表現(xiàn)的光催化活性也隨著提高了。
【關(guān)鍵詞】：銳鈦礦TiO_2 摻雜 第一原理 電子結(jié)構(gòu) 光催化性能
【學(xué)位授予單位】：遼寧大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類(lèi)號(hào)】：TQ134.11
【目錄】：

• 摘要4-6
• abstract6-13
• 第1章 緒論13-26
• 1.1 半導(dǎo)體光催化13-14
• 1.1.1 半導(dǎo)體光催化的起源13-14
• 1.1.2 半導(dǎo)體光催化劑簡(jiǎn)介14
• 1.1.3 半導(dǎo)體光催化劑的應(yīng)用14
• 1.2 光催化劑TiO_2簡(jiǎn)介14-19
• 1.2.1 TiO_2的性質(zhì)14-15
• 1.2.2 TiO_2光催化降解反應(yīng)機(jī)理15-16
• 1.2.3 TiO_2光催化劑的應(yīng)用16-19
• 1.3 影響TiO_2光催化性能的因素19-20
• 1.3.1 晶型的影響19
• 1.3.2 晶粒尺寸的影響19-20
• 1.3.4 比表面積的影響20
• 1.4 提高TiO_2光催化活性的方法20-25
• 1.4.1 摻雜改性21-23
• 1.4.2 復(fù)合半導(dǎo)體23-24
• 1.4.3 染料光敏化24
• 1.4.4 貴金屬沉積24-25
• 1.5 本文的研究意義及研究?jī)?nèi)容25-26
• 第2章 計(jì)算原理和方法26-30
• 2.1 第一原理26
• 2.2 密度泛函理論26-29
• 2.2.1 Hohenberg-Kohn定理26-27
• 2.2.2 Kohn-Sham方程27-28
• 2.2.3 交換關(guān)聯(lián)能近似28-29
• 2.3 VASP軟件介紹29-30
• 第3章 純銳鈦礦TiO_2的性質(zhì)研究30-39
• 3.1 理論模型和計(jì)算方法30
• 3.2 結(jié)果與分析30-33
• 3.3 GGA+U方法33-37
• 3.4 DOS和PDOS37-38
• 3.5 本章小結(jié)38-39
• 第4章 N單摻雜銳鈦礦TiO_2的性質(zhì)研究39-44
• 4.1 理論模型和計(jì)算方法39
• 4.2 結(jié)果與分析39-42
• 4.2.1 DOS和PDOS39-42
• 4.2.2 能帶結(jié)構(gòu)42
• 4.3 本章小結(jié)42-44
• 第5章 F單摻雜銳鈦礦TiO_2的性質(zhì)研究44-49
• 5.1 理論模型和計(jì)算方法44
• 5.2 結(jié)果與分析44-47
• 5.2.1 DOS和PDOS44-47
• 5.2.2 能帶結(jié)構(gòu)47
• 5.3 本章小結(jié)47-49
• 第6章 氮氟共摻雜銳鈦礦TiO_2的性質(zhì)研究49-58
• 6.1 理論模型和計(jì)算方法49-50
• 6.2 結(jié)果與分析50-56
• 6.2.1 氮氟共摻雜的結(jié)果與討論50-54
• 6.2.2 氮氟以不同濃度摻雜二氧化鈦的影響54-56
• 6.3 本章小結(jié)56-58
• 第7章 總結(jié)與展望58-60
• 7.1 總結(jié)58-59
• 7.2 展望59-60
• 致謝60-61
• 參考文獻(xiàn)61-63

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：870610