N與鹵素共摻雜銳鈦礦相(101)面二氧化鈉納米管的第一性原理研究.pdf

1、共摻雜是提高二氧化鈦納米管可見光催化性能的一種有效方式。為了提高二氧化鈦(TiO2)納米管的光催化性能，人們做了大量的實(shí)驗(yàn)，并制備了TiO2納米管摻雜體系，但是摻雜對(duì)體系的影響機(jī)理研究的不多。本文采用VASP軟件計(jì)算包中密度泛函理論的第一性原理方法對(duì)N與鹵素共摻雜的納米管體系進(jìn)行了研究，其中研究了N單摻雜、鹵素單摻雜及N與鹵素共摻雜銳鈦礦(101)面二氧化鈦納米管中(6，0)管的原子結(jié)構(gòu)、電子性質(zhì)、光學(xué)性質(zhì)和標(biāo)準(zhǔn)氫電勢(shì)下的光催化水解。在

2、本文中，雜質(zhì)元素取代摻雜的是納米管中的氧(O)元素，其中納米管中O元素存在兩種形式:二配位氧(O2C)和三配位氧(O3C)。
　　本文首先對(duì)N、F摻雜納米管體系做了系統(tǒng)的研究，計(jì)算結(jié)果表明，N、F元素單摻雜替換納米管中的O3C時(shí)，體系結(jié)構(gòu)最為穩(wěn)定，N-F共摻雜納米管時(shí)雜質(zhì)元素同時(shí)取代納米管中的O3C時(shí)，結(jié)構(gòu)也最為穩(wěn)定。通過分析N、F及N-F摻雜后體系的能帶和態(tài)密度我們發(fā)現(xiàn)，對(duì)于N單摻雜體系，納米管帶隙減小，價(jià)帶頂出現(xiàn)了雜質(zhì)能級(jí)，并

3、且該雜質(zhì)能級(jí)由N和O共同提供;對(duì)于F單摻雜體系，摻雜對(duì)納米管的帶隙影響不大，但是改變了納米管的費(fèi)米能級(jí)位置，使費(fèi)米能級(jí)進(jìn)入了導(dǎo)帶底，這表明F的加入改變了納米管中電子的填充情況;對(duì)于N-F共摻雜體系，不僅在納米管體系中出現(xiàn)了雜質(zhì)能級(jí)，而且降低了導(dǎo)帶底的位置，大大減小了納米管的帶隙(減小了0.557eV)。通過在標(biāo)準(zhǔn)氫電勢(shì)條件下研究摻雜后體系的氧化還原能力發(fā)現(xiàn)，納米管的還原能力強(qiáng)于體材結(jié)構(gòu)，N單摻雜與N-F共摻雜體系的氧化還原能力稍有所下降

4、但是帶隙的減小使納米管的光吸收能力大大提高;而F摻雜后的體系導(dǎo)帶底幾乎與H2O分子中H+的還原勢(shì)位于同一水平線上，這說明該體系還原H2O的能力幾乎喪失，但是價(jià)帶頂距離H2O分子的O2-的氧化勢(shì)距離較遠(yuǎn)，這說明納米管的氧化能力有所提升。在差分電荷分析中，雜質(zhì)元素的得失電子能力與O元素的相比發(fā)生了嚴(yán)重的變化，改變了原有體系的電子分布情況。通過分析各體系的光學(xué)性質(zhì)可知，摻雜后納米管的光吸收能力都有所提升，其中N-F共摻雜的體系最為理想。

5、>　　為了進(jìn)一步探索材料的改性，本文對(duì)其他鹵素(Cl、Br、I)單摻雜以及N與其他鹵素共摻雜TiO2納米管進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。計(jì)算結(jié)果表明，Cl元素取代摻雜納米管的O3C時(shí)結(jié)構(gòu)最為穩(wěn)定;由于Br在摻雜過程中結(jié)構(gòu)的能量難以達(dá)到穩(wěn)定的收斂標(biāo)準(zhǔn)，因此Br在單摻雜納米管過程中的結(jié)構(gòu)難以形成;而I元素只有取代摻雜納米管的O2C時(shí)結(jié)構(gòu)最為穩(wěn)定。并且，Cl和I單摻雜納米管的能帶、態(tài)密度、帶隙、氧化性和光學(xué)性質(zhì)都與F單摻雜的情況相似。在N分別與Cl、Br