碳掺杂二氧化钛光催化性能的第一性原理研究_李青坤

第24卷 第4期

2007年8月

黑龙江大学自然科学学报JOURNALOFNATURALSCIENCEOFHEILONGJIANGUNIVERSITY Vol124No14August,2007

碳掺杂二氧化钛光催化性能的第一性原理研究

李青坤, 王 彪, 王 强11,21,3, 王 锐4

(1.哈尔滨工业大学航天学院,哈尔滨150001;2中山大学理工学院,广州510275;3黑龙江大学物理科学

与技术学院,哈尔滨150080;4哈尔滨工业大学化学系,哈尔滨150001)

摘 要:使用第一性原理方法,计算了C掺杂TiO2材料的缺陷结构与能量,分析了在不同晶

体生长环境下C掺杂TiO2晶体中的缺陷稳定性变化规律。结果表明在氧化条件下C掺杂TiO2中

缺陷将主要以CTi的形式存在,而在还原气氛下得到的C掺杂TiO2中材料中缺陷结构主要以CO形

式存在。对材料态密度的分析表明,CO缺陷结构能够在价带顶附近产生合适的能级,导致材料具

有优秀的光催化性能。

关键词:C掺杂TiO2;光催化;第一性原理

中图分类号:O56111文献标识码:A文章编号:1001-7011(2007)04-0455-03

1 引 言

近年来,二氧化钛由于具有十分优秀的光催化性能得到了广泛的研。然而,纯的TiO2晶体材料较宽的能带带隙(312eV),只能在占太阳能量4%的紫外光范围分解水,限制了TiO2在光催化领域的应用。掺杂TiO2体系能够通过掺入杂质粒子引入合适的杂质能级,减小能带带隙,使TiO2材料能够利用可见光范围的能量进行光催化,具有十分重要的工业前景和理论研究价值。

对于调整光催化性能的掺入粒子的选择,人们首先选择非金属离子。2001年,Asahi等人发现在N掺杂

[9][4]TiO2体系中具有很好的光催化性能。在随后的研究中,Umebayashi[6]及Ohno等人也发现在S掺杂

TiO2锐钛矿中具有光催化活性。Ohno等人的研究中同时认为,掺入的S离子占据Ti位置

发现,S掺杂TiO2容易发生催化中毒现象

掺杂来改变光催化性能的现象

水作用

能[3][7][8][5][4][1-9]。不过,研究中,难以更好的在可见光范围内分解水。最近,人们希望能够在C掺杂TiO2体系中获得更好的光催化性能。2001年,Lettman等研究了使用C。随后,Khan等人于2002年用x射线衍射光谱报告了C掺杂TiO2的光解[2]。而对于C掺杂锐钛矿结构的二氧化钛体系,Sakthivel和Kisch等最先报道了其具有光催化性。2005年,Kamisaka等使

[1]。Ohno等人在以后的工作中也报告了C掺杂TiO2对有机分子的降解作用用第一性原理研究认为C进入二氧化钛体系产生的光催化性能来源于复杂的内部占位结构。不过,由于

掺入粒子的占位实际上受材料的生长环境影响较大,到目前为止,不同化学环境下C掺杂TiO2体系中掺杂等缺陷以何种形式存在,而且这些缺陷对光催化性能如何影响等问题还没有被明确研究。

为了研究C掺杂TiO2体系的光催化性能,本文使用第一性原理方法,分析不同晶体生长环境下,C掺杂金红石TiO2体系中将出现何种缺陷,并依据该缺陷稳定性分析结果,分析各种生长条件下最稳定缺陷结构的光催化性能。

2 计算方法

二氧化钛金红石结构理想晶体的空间群结构为P42/mnm,在每个基本晶胞内包含6个原子。为了分析掺入粒子在材料中的何种位置出现,以及材料中的本征缺陷是否出现,在本文的计算中使用2@2@2和3@

收稿日期:2005-01-16

基金项目:国家自然科学基金资助项目(10572155,10172030)

作者简介:李青坤(1977-),男,博士研究生,主要研究方向:缺陷诱导材料光、磁性能研究

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