N，Co共掺杂锐钛矿相TiO2光催化剂的第一性原理研究.pdf

《N，Co共掺杂锐钛矿相TiO2光催化剂的第一性原理研究.pdf》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、物理学报ActaPhys．Sin．Vo1．62，No．1(2013)017102N，Co共掺杂锐钛矿相YiO2光催化剂的第一性原理研究术张学军)张光富)金辉霞)朱良迪2)柳清菊2)十1)(湖南城市学院通信与电子工程学院，益阳413000)2)(云南大学云南省高校纳米材料与技术重点实验室，昆明650091)‘(2012年4月20日收到；2012年8月1日收到修改稿)采用第一性原理平面波超软赝势方法研究了N，c0共掺杂锐钛矿相TiO2的微观结构和光学性质．结果表明：N，Co共掺杂后YiO2晶格中产生的偶极矩使光生电子一空穴对更有效地分离；在TiO2导带

2、和价带之间形成了新的杂质能级，一方面使吸收带边红移到可见光区，光吸收性能明显增强，另一方面有利于光生电子空穴对的分离，提高TiO2的光量子效率；与纯TiO2相比，N，Co共掺杂锐钛矿相TiO2带边的氧化还原势只有微小的变化，共掺杂后TiO2的强氧化还原能力得以保持．关键词：锐钛矿相TiO2，第一性原理，N，Co共掺杂，微观机理PACS：71．15Mb，71．55．一i，78．20．一eDOI：10．7498／aps．62．017102限．而将过渡金属离子注入TiO2晶格中，可以显著1引言改善TiO2的紫外一可见光谱I14-17]．闫石等[18】采用

3、聚合络合法制备钴掺杂TiO2，结果表明样品主TiO2因其具有氧化能力强、化学性质稳定、要成分为锐钛矿相TiO2，Co掺杂能明显改善材料成本低以及无毒等优点，成为研究最广泛、最的光吸收性能并提高其光催化制氢反应活性，并具潜在价值的光催化材料[1{2】．然而纯TiO2带且Co掺杂能抑制TiO2晶粒的长大，可得到比表面隙较宽(锐钛矿相约为3．23eV)，仅能响应波长积更大的TiO2晶粒，有利于提高TiO2的光催化活小于384nm的紫外光，太阳能利用率很低；同时性．实验研究表明，某些金属离子和N离子共同掺它的光生电子．空穴对容易复合，光量子效率低．上入Ti

4、O2中，利用阴阳离子之间的协同效应，可以有述两个方面的问题已成为TiO2光催化应用的瓶颈．因此，提高TiO2对可见光的吸收和光量子效率是效调制体系的能带结构，得到的光催化剂具有比单对其进行改性的关键[35j．一元素掺杂更高的光催化性能．施晶莹等[19J制备．已有研究表明，采用掺杂非金属离子[6J7】或金了N，Co共掺杂TiO2薄膜电极，结果表明N，Co共属离子J对TiO2进行改性，可以改善TiO2的光掺杂TiO2薄膜电极的可见光光电响应比单掺杂的催化性能，实现其对可见光的响应．自从Stao[1o]首高．愈慧丽等_20_制备了N，Co共掺杂纳米光催化

5、次报道N掺杂TiO2表现出可见光活性以来，N掺剂TiO2，结果表明样品为单一的锐钛矿相，平均粒杂TiO2无论在实验还是在理论上都得到了广泛研径为11．1nm，比表面积为140．77m／g，并且吸收带究和初步应用[11-13】．但是N掺杂TiO2在可见光边红移现象明显，吸收可见光的性能强，具有良好区光吸收系数很小，对太阳能的利用仍然十分有的可见光催化活性．但N，Co共掺杂改性TiO2的国家自然科学基金(批准号：50862009，51062017)和湖南省科技计划项目(批准号：2011FJ3174)资助的课题十通讯作者．E—mail：qjliu@yun

6、．edu．cn⑥2013中国物理学会ChinesePhysicalSocietyt：／／wulixb．hy．ac．cn017102—1物理学报ActaPhys．Sin．Vo1．62，No．1(2013)017102微观机理未见报道，尤其缺乏对离子间协调作用机光学性质的理论研究中[25—27理的研究．为此，本文采用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理平面波超软赝势方法计算并分析比Ti较N，Co共掺杂TiO2与N掺杂TiO2，Co掺杂TiO2Co及纯TiO2在晶体结构、结合能、电子结构、光学●ON掺杂位性质以及氧化还原能力等方面的差异，从理论上对●N

7、N，Co掺杂后锐钛矿相TiO2催化剂活性增强的机理进行探讨．Co掺杂位2理论模型及计算方法图1N，Co共掺杂锐钛矿相TiO2的2x2×1超晶胞模型及掺共掺杂后体系能量最低时所对应的N，Co掺杂原子的位置示意图杂位置即为可能位置．在前期工作中，我们系统计3计算结果与讨论算了N，Co不同位置掺杂时体系的能量，最终选择了体系能量最小所对应的位置，即如图1所示的3．1晶体结构及其稳定性N，Co掺杂位置．图1为掺杂后锐钛矿相TiO2的2×2×1超晶胞模型，其中一个Co原子替代一个Ti对构建模型进行几何优化，由能量最小原理，原子位，一个N原子替代一个0原子位，

8、因此一个得到了体系各原子处于最稳定位置．对应的不同掺超晶胞共含有48个原子，其中15个Ti原子，31个杂下体系结构优化后的