TiO2表面及表面杂质对CO气体光学气敏传感特性的影响

摘要

CO是工业、生活废气中的一种有毒气体，它无色无味，并且当空气中含量达到一定浓度时，极易使人出现中毒，这严重威胁着人们的生命安全。当前各种各样的气体检测技术面世，而在这方面还有很大的发展空间，这样的检测方式已成为一种重要的气体检测技术，受到广大研究者的青睐。 材料表面吸附气体分子而改变了其光学特性，因此可以通过光学性质的变化体现材料对环境气体分析的传感特性，这称为光学气敏传感特性，同时光学气敏传感较电阻型气敏传感具有高灵敏度、响应时间短和恢复时间短等特点。当前对于光学气敏传感材料主要以半导体材料TiO2、SnO2、ZnO等金属氧化物，其中ZnO是应用最早的一种半导体气敏材料。由于TiO2具有廉价、无毒、耐高温等特点受到了人们的青睐，其主要运用于空气的净化和污水的处理和气敏传感器件中。但是由于TiO2的带隙较宽只能吸收波长小于400nm的紫外光区域，研究者们通过对材料掺杂改变其光学性质，扩大光响应范围。如非金属N的掺杂，N2p轨道电子与O2p轨道电子杂化使带隙变窄而扩大对可见光的吸收；除此之外金属离子（如Fe3+）的掺杂可在材料表面引入缺陷位置，在光照下杂质电子跃迁的能量小于TiO2的禁带宽度且杂质电子浓度较大使材料光谱红移。 为进一步对TiO2材料表面性质和光学气敏性质的研究，本文在密度泛函理论的平面波超软赝势方法下分别对金红石TiO2(110)面和锐钛矿TiO2(101)面进行理论计算。其主要计算内容为：（1）研究金红石TiO2(110)面的电子结构，在MS软件中建立金红石的（2×1）超晶胞模型，通过结构优化后分别计算了表面能以及表面光学性质。（2）计算金红石TiO2(110)的光学性质，建立（3×3×2）的超晶胞模型并切出（110）面，在表面引入不同浓度的氧空位后进行CO分子C端吸附，计算了本征表面吸附能、分态密度、电荷布居和光学性质，结果显示表面氧空位的缺陷使得材料表面的光学性质发生改变，对CO气体体现出一定的吸附作用；（3）对比金红石TiO2(110)面的特性，本文还计算了CO分子C端吸附在锐钛矿TiO2(101)面的表面结合能、表面吸附能、电荷布局、差分电荷密度、电子分态密度以及光学性质，计算结果显示锐钛矿TiO2(101)面对气体CO吸附体现出的光学特性较金红石TiO2(110)面更好；（4）为进一步对锐钛矿TiO2(101)面的吸附特性进行优化，采用了掺杂过渡金属掺杂的方法改变表面的吸附特性，考虑到Cu、Sc、Cr、V原子半径与Ti原子半径相近且Cu、Cr原子4S1电子不稳定这些因素，故此选其为杂质原子。结果显示：锐钛矿TiO2(101)面比金红石TiO2(110)面更为稳定；金属Cu、Sc、Cr、V掺杂于氧空位的TiO2(101)表面和不掺杂氧空位表面后，通过表面能的计算比较，杂质的掺入减小了表面的禁带宽度从而提高材料对CO的吸附且Cu和Cr掺杂最为稳定；从电荷的转移情况分析得到杂质对基底氧空位氧化性的贡献有：Cu＞Cr；通过态密度和光学性质分析，CO分子吸附在Cu和Cr掺杂于含氧空位TiO2(101)基底表面相对于无掺杂含氧空位TiO2(101)基底表面提高了材料在可见光范围内的响应，Cu和Cr掺杂对材料吸附CO气体光学气敏传感性能提升明显，是一种很好改善材料光学气敏传感特性的方法。

目录

1绪 论

1.1引言

1.2 TiO2的晶体结构和物理化学性质

1.3 TiO2的光催化原理

1.4 TiO2材料磁学性能的研究现状

1.5 掺杂改变TiO2光学性能的研究现状

1.6 表面吸附改变TiO2的光学性能研究现状

1.7 研究目的和意义

1.8 研究内容

1.9 探究流程图

2密度泛函理论和第一性原理

2.1第一性原理计算方法

2.2 密度泛函理论(DFT)

2.2.1 Hohenberg-Kohn定理

2.2.2 Kohn-Sham定理

2.2.3 交换关联能泛函

2.3 CASTEP软件

3 金红石TiO2表面对CO的吸附

3.1 引言

3.2.1 引言

3.2.2 模型构建与计算方法

3.2.3 金红石TiO2（110）表面电子弛豫

3.2.4 表面能

3.2.5 结构表面光学性质

3.2.6 小结

3.3构建模型与计算方法

3.4 吸附能

3.5表面电子态密度

3.6光学性质

3.7 Mulliken电荷分布和电子密度分析

3.8 小结

4 Cu、Cr等过渡金属掺杂锐钛矿TiO2(101)面对CO的吸附

4.1引言

4.2.1 模型构建

4.2.2 计算方法

4.3.1 表面结合能

4.3.2 吸附模型及表面吸附能

4.3.3 小结

4.4.1 Mulliken电荷布局分布

4.4.2 小结

4.5差分电荷密度

4.6电子态密度

4.7.1介电函数

4.7.2 吸收谱和反射谱

4.8光学性质小结

5 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

附录：攻读硕士学位期间发表论文及科研情况

参考文献

致谢

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