非金属(C、N、S、P)掺杂对锐钛矿TiO2性质影响的第一性原理研究

摘要

利用Materialsstudio软件建立了锐钛矿原胞模型,采用非金属C、N、S、P置换TiO2中O的方式进行掺杂,建立TiO1.875X0.125(2×1×1)(X为C、N、S、P)超晶胞,采用基于密度泛函理论(DensityFunctionalTheory,DFT)的Castep软件包对锐钛矿TiO2和TiO1.875X0.125的能带结构、态密度和光学性质进行分析。结果表明:非金属掺杂锐钛矿TiO2的带隙值较锐钛矿TiO2均减小,分别为0.57eV(TiO1.875C0.125)、1.93eV(TiO1.875N0.125)、1.30eV(TiO1.875S0.125)和0.21eV(TiO1.875P0.125),并且光吸收边界均出现了不同程度的红移(TiO1.875P0.125>TiO1.875C0.125>TiO1.875S0.125>TiO1.875N0.125)。非金属(C、N、S、P)掺杂均会窄化锐钛矿TiO2的禁带宽度且使能带变得致密,C、P掺杂材料的价带和导带均向低能量区偏移,而N、S掺杂材料的导带出现负移,价带偏移不明显。由于C-2p、N-2p、S-2p、P-3p轨道与O-2p和Ti-3d轨道的不同程度杂化耦合,禁带中不同位置出现了不同数量的杂质能级,进而形成新的可见光吸收区,并且可捕获价带电子,延长光生电子和空穴的复合时间,有利于提高光催化效率。其中,C和P掺杂锐钛矿TiO2的带宽较窄、带隙值较小、红移程度高,在可见光区光催化活性较高。