硫和过渡金属共掺杂改性二氧化钛光催化剂的理论研究

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1、扉页：独创性声明本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人或集体已经发表或撰写过的研究成果，对本文的研究做出贡献的集体和个人均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。研究生签名：雄日期：型兰：[≥论文使用和授权说明本人完全了解云南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文和论文电子版；允许论文被查阅或借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、，缩印或其他复制手段保存论文。(保密的论文在解密后应遵循此规定)研究生签名：—毒，=

2、曹生鱼L导师签名：弼日期：研究生签名：—奉二各鱼导师签名：哟日期：删云南大学硕士学位论文摘要lIIIIIIUlIIIIIIIIIY2378398目前能源危机和水污染问题日益突出，己成为制约人类生存和发展的重要因素之一。Ti02作为一种重要的环境半导体材料，具有光催化活性强、化学性能稳定、安全无毒、廉价、无二次污染、资源丰富等优点，广泛应用于环保领域。在三种不同结构的Ti02中，锐钛矿型Ti02具有更优异的光催化性能，但是，作为宽带隙氧化物半导体的锐钛矿型Ti02仅在紫外光照射下具有光催化活性，太阳能利用率很低。此外，由于光激发产生的电子．空穴对很容易复合，它

3、的光量子产率值也非常低。因此，窄化Ti02禁带宽度使其吸收光谱向可见光区扩展，以及降低光生电子．空穴复合率，是提高Ti02光催化性能并使之大面积推广应用的关键。目前，基于密度泛函理论的第一性原理计算方法是研究掺杂材料微观结构和性能的一种比较有效的方法。利用这种理论方法进行掺杂研究，不仅可以深入地了解材料的微观几何结构及电子结构，从理论上验证一些实验现象，预测材料的未知性能，而且可以节约研究成本，这对科学地进行新材料研发具有不可估量的作用。本文采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势方法研究了S和过渡金属TM(TM=

4、V，Cr，Mn，Fe，Co和Ni)分

5、别单掺杂及共掺杂锐钛矿相Ti02的晶体结构、杂质形成能、电子结构、光学性质和带边位置。计算结果表明：(1)掺杂后体系Ti06八面体的偶极矩都发生了一定程度的变化，其中以S和过渡金属共掺杂的变化最为明显，这说明S和过渡金属共掺杂能使Ti02的光生电子．空穴对分离更为有效，降低其复合率，因此S和过渡金属共掺杂将更有利于Ti02光催化性能的提高；(2)S和过渡金属离子掺杂后，S的3p杂质态位于价带顶部，金属离子产生的杂质能级在导带、价带和禁带中都存在，随着掺杂原子序数的增大杂质能级向低能级方向移动。掺杂后位于导带附近的施主型能级和位于价带顶附近的受主能级，可以减小

6、掺杂体系的禁带宽度，同时有利于光生电子和空穴的分离；而位于禁带中心附近的杂质能级可以让价带上的电子只需吸收能量较小的光子经过2次激发就可以跃迁到导带上。因此掺杂后都能使Ti02的吸收光谱拓展到可见光区，云南大学硕士学位论文摘要并有较好的光吸收特性：(3)掺杂后Ti02带边位置都有一定的变化，但是变化很小，说明掺杂后Ti02具有很强的氧化还原能力，有利于提高光催化效率。模拟计算结果阐明了不同离子对Ti02电子结构的作用规律，揭示了不同离子及不同掺杂方式下改性Ti02可见光催化活性提高的内在机理，为探索离子掺杂改性的实验研究提供了理论依据。关键词：共掺杂：锐钛矿

7、相Ti02；第一性原理；电子结构；光催化性能本论文工作由以下基金项目支助：国家自然科学基金(批准号：51062017)Ⅱ云南大学硕士学位论文AbstractInrecentyears，asoneoftheconstraintsforhumansurvivalanddevelopment，theenergycrisisandenvironmentalproblemssuchaswaterpollutionisbecomingdaybydayprominent．Titania(Zi02)，asanimportantmetaloxide，iswidelyusedi

8、nenvironmentalprotectionduetoitslowcost，nontoxic，long-termstabilityandhighoxidativepower．But，asawidebandgapoxidesemiconductor,itssolarenergyutilizationisverylow,becauseitslargeintrinsicbandgapCallonlyabsorbtheultra-violetportionofthesolarspectrum．Furthermore，itsphotoquantumyieldisa

9、lsoverylowduetoitsphotoexc