過渡金屬離子的摻雜對TiO2光催化性能的影響機理研究

《過渡金屬離子的摻雜對TiO2光催化性能的影響機理研究》是依託北京科技大學，由曹文斌擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：過渡金屬離子的摻雜對TiO2光催化性能的影響機理研究
• 依託單位：北京科技大學
• 項目負責人：曹文斌
• 項目類別：面上項目

項目摘要

過渡金屬摻雜是實現納米二氧化鈦(TiO2)可見光回響的重要途徑之一。但過渡金屬對於TiO2的摻雜能力、摻雜量及其對TiO2電子結構和吸光能力的影響以及摻雜機理的研究尚缺少系統深入的研究。本課題擬通過第一性原理的方法計算第四、第五和第六周期過渡金屬離子替換銳鈦礦型TiO2中鈦原子後結合能的變化，得到不同過渡金屬離子在銳鈦礦型TiO2中的摻雜極限，得到適合於摻雜TiO2的過渡金屬元素的種類；進而以此為基礎建立TiO2摻雜模型，計算出對應的過渡金屬離子摻雜TiO2的電子結構，分析摻雜對TiO2結構中電子在費米能級附近的態密度、電子密度實空間分布、帶隙寬度和光吸收性能等的影響規律，揭示過渡金屬離子摻雜TiO2光回響特性的本質，得到最佳的摻雜濃度，為過渡金屬離子摻雜TiO2的製備提供理論依據；最後採用水熱法製備一種經過最佳化的過渡金屬離子摻雜納米TiO2，研究光吸收特性和光催化性能，驗證理論研究結果。

結題摘要

本課題採用第一性原理的方法，分別計算了第四、第五和第六周期過渡金屬離子替代銳鈦礦型二氧化鈦（TiO2）結構中Ti原子後的結合能，通過結合能的變化情況進一步計算出過渡金屬離子在銳鈦礦型 TiO2中的理論摻雜極限，由此最佳化出適合摻雜TiO2的過渡金屬離子。在結合能計算結果的基礎上，最佳化出的過渡金屬離子種類為W、V、Mo、Ag、Y。在此基礎上，分別採用第一性原理計算了W、V、Mo、Ag、Y離子摻雜對TiO2能帶結構、光吸收性能以及光催化性能的影響規律。採用低溫水熱合成法，分別合成了W、V、Mo、Ag、Y摻雜納米二氧化鈦粉體。研究結果表明，所合成的系列過渡金屬摻雜TiO2粉體的光催化性能與理論計算相符。同時，進一步研究了(Mo-N)、(Cr-N)、(V-Y)共摻雜對TiO2能帶結構、光吸收及其光催化性能的影響規律，表明共摻雜可進一步提高可見光光催化性能。