TiO₂具有較高的光催化活性,化學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng),沒(méi)有毒害作用,能耗低等優(yōu)點(diǎn)越來(lái)越受到人們的關(guān)注。但是,由于二氧化鈦的禁帶寬度較寬（3.2eV）,導(dǎo)致其光譜吸收范圍較窄,只有在紫外光下才能表現(xiàn)出相應(yīng)的光催化活性,然而紫外光僅占太陽(yáng)光的5%,因此其光催化效率較低。另外光生載流子的復(fù)合概率較高,也限制了二氧化鈦光催化處理污染物的實(shí)際應(yīng)用。離子摻雜能提高二氧化鈦光催化效率,稀土原子摻雜二氧化鈦可以明顯拓寬光譜響應(yīng)范圍,使其吸收波長(zhǎng)向可見(jiàn)光方向移動(dòng)。分子模擬技術(shù)能夠從原子角度計(jì)算出材料的電子結(jié)構(gòu),闡述其光催化反應(yīng)的機(jī)理,為理論研究奠定基礎(chǔ),并且能夠預(yù)測(cè)催化劑的反應(yīng)活性。本論文通過(guò)Materials Studio計(jì)算軟件的CASTEP模塊計(jì)算了La,Ce,Pr,Sm,Gd和Tm等稀土元素?fù)诫s的TiO₂本體能帶結(jié)構(gòu),從電子結(jié)構(gòu)方面闡述了稀土摻雜TiO₂光催化反應(yīng)機(jī)理,并且預(yù)測(cè)了其光催化反應(yīng)活性。基于理論模擬結(jié)果,采用多種制備方法制備了具有不同分散度、不同形貌的TiO₂納米材料,考察了其對(duì)目標(biāo)污染物亞甲基藍(lán)的光催化活性... 

【文章來(lái)源】：重慶理工大學(xué)重慶市

【文章頁(yè)數(shù)】：76 頁(yè)

【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

光催化性能評(píng)價(jià)裝置

重慶理工大學(xué)碩士學(xué)位論文22型，模型中的一個(gè)Ti原子由稀土原子替代，建立了純TiO2,Ti7XO16超晶胞。主要研究的是稀土元素電子組態(tài)Ti:3s23p63d24s2，O:2s22p74，Ce:4f15s25p65d16s2,Gd:4f75d16s2，La:5s25p65d16s2。所有計(jì)算都在倒格矢空間進(jìn)行。摻雜前后晶體模型如圖3.1所示。（a）（b）圖3.1（a）純金紅石TiO2計(jì)算模型，（b）稀土元素單摻雜計(jì)算模型3.3結(jié)果與討論3.3.1不同稀土摻雜TiO2帶隙規(guī)律根據(jù)第一性原理，稀土元素電子組態(tài)會(huì)影響金紅石相TiO2的帶隙寬度，并且其能級(jí)容易同時(shí)出現(xiàn)在鄰近的價(jià)帶和導(dǎo)帶的多個(gè)位置，從而產(chǎn)生多個(gè)帶隙。光激發(fā)時(shí)稀土摻雜的金紅石相TiO2電子躍遷形式是多種多樣的，電子-空穴對(duì)的復(fù)合的概率應(yīng)該遠(yuǎn)遠(yuǎn)的高于計(jì)算的最小帶隙。然而，大多數(shù)禁帶寬度太窄，稀土元素本身具有光敏特性，可以被非常低的光能激發(fā)，所以對(duì)這部分帶隙無(wú)需過(guò)多研究，起主要作用的是費(fèi)米能級(jí)左右兩側(cè)的較大帶隙也就是最小帶隙。圖3.2顯示的是計(jì)算的不同稀土摻雜TiO2帶隙圖，其中上下是橫線分別表示導(dǎo)帶和價(jià)帶的位置，中間為所計(jì)算出的帶隙值。帶隙減小，能產(chǎn)生“紅移”效應(yīng)，并且?guī)督档偷脑蕉啵凹t移”就越明顯，圖3.2中稀土摻雜金紅石相TiO2帶隙值均有所減小，稀土離子摻雜能夠使金紅石相TiO2吸收帶發(fā)生較明顯的“紅移”，提高了金紅石相TiO2光催化活性。

3稀土摻雜TiO2的理論模擬計(jì)算23圖3.2純金紅石相TiO2和稀土元素?fù)诫s金紅石相TiO2的帶隙圖3.3.2稀土摻雜前后能帶結(jié)構(gòu)計(jì)算得到的銳鈦礦，金紅石，釓摻雜銳鈦礦和釓摻雜金紅石能帶結(jié)構(gòu)如圖3.3所示，零點(diǎn)為費(fèi)米能級(jí)。圖（a）中顯示，銳鈦礦TiO2的帶隙值為2.14eV，價(jià)帶頂在0.121eV處，導(dǎo)帶底在2.261eV處，與實(shí)驗(yàn)報(bào)道值3.23eV相比小的多；從圖（b）可知，金紅石相TiO2屬于直接帶隙半導(dǎo)體材料，金紅石相TiO2的帶隙值為1.944eV，價(jià)帶頂在0.057eV處，導(dǎo)帶底在2.001eV處，實(shí)驗(yàn)測(cè)得的金紅石TiO2的帶隙值為3.0eV，也出現(xiàn)其計(jì)算值小于實(shí)驗(yàn)值的情況，這是因?yàn)橛脧V義梯度近似計(jì)算的時(shí)候，對(duì)體系激發(fā)態(tài)的考慮有一定的欠缺，沒(méi)有辦法完全描述出真實(shí)多電子相互作用能，所以廣義梯度近似計(jì)算得到的結(jié)果往往小于實(shí)驗(yàn)值，但計(jì)算結(jié)果是可靠的[113]。由圖（c）可知，釓摻雜銳鈦礦TiO2價(jià)帶頂在0.028eV處，導(dǎo)帶底在2.006eV處，其禁帶寬度為1.978eV，從圖（4）中可以看出釓摻雜金紅石TiO2價(jià)帶頂位和導(dǎo)帶底位都位于G點(diǎn)處，摻雜后的金紅石相TiO2仍為直接帶隙半導(dǎo)體。其價(jià)帶頂0.456eV處，導(dǎo)帶底在2.346eV處。由4幅圖我們可以看出，釓摻雜后，無(wú)論是銳鈦礦還是金紅石，其禁帶寬度均有所減校帶隙值的減小可以使電子從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶的能量減小，能夠提高其光催化活性。

【參考文獻(xiàn)】：
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