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1、TiO2掺杂N的理论研究摘要本论文选取周期性平板模型，采用广义梯度密度泛函理论方法，使用CASTEP软件，对N掺杂锐钛矿型和金红石型的TiO2电子和光催化性能的进行了研究。分别计算了N位于Hollow，N取代晶格氧，N取代晶格氧且表面有氧空位和N位于Hollow位且表面有氧空位四种N掺杂方式，讨论了掺杂造成的晶格缺陷,以及其能带结构发生的变化,带隙宽度的减小。计算结果表明四种掺杂方式带来的影响是不同的。通过分析态密度和能带边缘可知，发现N取代晶格氧时带隙变化并不大，而N在Hollow位和N位于Hollow位且表
2、面有氧空位时带隙变化较大，当N取代晶格氧且表面有氧空位时，价带顶端和导带低端分别出现杂质带，使得带隙减小最大，光响应红移，光催化活性增强。关键词：TiO2，N掺杂，电子结构，DFT，光催化TheoreticalStudyofN-dopedTiO2AbstractUsingdensityfunctionaltheory(DFT)calculationwithintheCASTEPcode,weinvestigatedtheelectronicstructureandphotocatalyticactivityof
3、N-dopedanataseTiO2andrutileTiO2.WecalculatedfourN-dopedmodels:inHollowsite,substitutionallatticeoxygen,substitutionallatticeoxygenwithoxygenvacancyonthesurface,inHollowsitewithoxygenvacancyonthesurface.WediscussedthecrystaldefectsthatN-dopingresultedin,thech
4、angesofbandstructure,andthedecreasingbandgap.OurcalculationsshowedthattheeffectbetweenfourN-dopedmodelswasdifferent.Byanalysingthedensityofstatesandthebandedge,wefoundthatthebandgapdidn’tchangemuchwhenNsubstitutedlatticeoxygen,howeverthebandgapchangedmuch,wh
5、enNisinHollowsiteandinHollowsitewithoxygenvacancyonthesurface.whenNsubstitutedlatticeoxygenwithoxygenvacancyonthesurface,thetopofvalencebandandthebottomofconductionbandappearedimpuritybandrespectively,itmadethebandgapdecreasedthemaximum,lightactivityappeared
6、redshift,andthephotocatalyticactivityenhanced.Keywords:TiO2,Ndoping,electronicstructure,DFT,photocatalytic目录摘要IAbstractII目录III第一章前言11.1TiO2的催化性质与表面性质11.2TiO2结构21.3影响光催化效率的因素31.4密度泛函理论（DFT）31.5平板模型41.6MaterialsStudio软件简介41.6.1Castep计算模块简介51.7本文研究意义5第二章氮掺杂的锐钛矿
7、型TiO272.1引言72.2锐钛矿型TiO2的计算模型、方法72.3计算结果与讨论102.3.1电子差密度分析102.3.2能带（EnergyBandStructure）分析112.3.3态密度（DensityofStates）分析142.4本章小结15第三章氮掺杂的金红石型TiO2163.1引言163.2金红石型TiO2的计算模型、方法163.3计算结果与讨论183.3.1电子差密度分析183.3.2能带（EnergyBandStructure）分析203.3.3态密度（DensityofStates）分析
8、223.4本章小结22结论24致谢25参考文献26第一章前言1.1TiO2的催化性质与表面性质TiO2具有良好的光催化特性[1]，已经广泛用于治理环境污染物。评价一个半导体材料能否充当光催化剂通常有以下的标准：（1）具备一定的光活性；（2）能够利用可见光或者近紫外光，即能隙大小合适；（3）具有一定的生化惰性；（4）具有光稳定性。很多简单的氧化物和硫化物的带隙大小都适合吸收光子，在的化学
