第一性原理研究镧系元素掺杂对锐钛矿TiO2能带的调制及甲酰胺分子在金红石TiO2(011)表面上的反应

摘要

本论文中利用基于密度泛函理论的VASP软件包,首先使用DFT+U方法对镧系元素掺杂调制锐钛矿的光催化情况进行了第一性原理计算,主要研究了镧系元素对锐钛矿TiO2电子结构的调制情况；另外忽略TiO2中Ti的3d电子强关联作用,对甲酰胺分子在金红石TiO2(011)表面上的吸附及反应,进行了研究。
　　 首先对未掺杂的TiO2块体进行了研究,优化了晶格常数。计算了镧系元素掺杂进锐钛矿TiO2的掺杂形成能,以预估掺杂的难易程度。然后计算了掺杂体系的能带结构与电子分波态密度,计算得到的锐钛矿TiO2的品格常数为:a=3.830(A),c=9.635(A)(u=a／c=0.397)略小于实验值a=3.785(A),c=9.512(A)(u=a／c=0.398),结果显示通过掺杂,TiO2的本征带隙内产生中间能级,能够不同程度地缩小其带隙,减小电子或空穴的激发所需要克服的势垒,进而提高TiO2的光催化性能。
　　 在对甲酰胺分子在金红石TiO2(011)表面上的吸附及反应进行的研究中,主要研究了甲酰胺分子在表面上不同的吸附构型,发生水解反应和分解反应所产生不同的焓变,以及两种反应过程中所需要克服的势垒。首先对独立体系的甲酰胺分子和金红石TiO2进行了研究,得到了分子的稳定构型,同时也就金红石TiO2(011)表面的2×1重构进行了初步研究,计算得到的金红石TiO2的晶格常数为:a=b=4.612(A),c=2.960(A)(u=c／a=0.641),略大于实验值:a=b=4.594A,c=2.958(A)(u=c／a=0.597),然后采用三个O-Ti-O周期层为厚度、20(A)的真空层,取2×2×1的周期性单元,来模拟金红石TiO2(011)的表面。并在此基础上研究了甲酰胺分子在此理想表面的稳定吸附构型,从最稳定的吸附构型出发,通过手动使分子克服势垒,实现发生在表面的水解反应和分解反应,比较了两种反应发生前后体系的能量变化,从而得出两种反应的不同的焓变。然后使用基于第一性原理的NEB方法,根据两种反应的初末态,分步得出两种反应的反应势垒。计算结果与实验上的结论相比较,解释了两种反应中,水解反应焓变较大,但其在两种反应中所占的比例却较大的矛盾。