S与不同离子共掺杂锐钛矿相TiO2的理论及性能研究

TiO2 photocatalyst has attracted much interest for the high activity, chemical stability and nontoxicity, and there are widely potential applications in the fields such as pollution treatment and preparing hydrogen by splitting water. However, widespread applications of TiO2 as photocatalyst has been limited due to its responding ultraviolet irradiation and very low photo-quantum yield value. In this project, First-principles will be performed to investigate the impact and micromechanism of codoping with S and different ion on anatase TiO2 crystal structure, energy band and optical properties, and also the relation of action between doping ion and TiO2 energy level will be studied. The relation among photon exciting, photon-induced carrier movement, microstructure and doping ion will be clarified.The effect mechanism of doping ion on the redox will be analyzed, and the theoretical model will be design to confirm the modification mechanism of the high efficiency and visible-light response TiO2 catalyst. On the basis of above, 3-4 kinds of samples codoping with S and the different ion will be choiced and the synthesizing technology will be studied, the properties and micromechenism affected by the codoping will be analysed..The problems of blindness and repetition existed generally in photocatalytic study will be overcome effectively owning to the method performed in this project. The anticipative results will not only clarify the essence of high photocatalytic property of TiO2 codoped with S and the ion, but also can be used to instruct the modification and preparation.

TiO2光催化剂因具有活性高、稳定无毒等优点而得到重点研究，在污染治理、光解水制氢等领域极具应用潜力，但目前因存在只能响应紫外光和量子转换效率低两个瓶颈难题而限制了其广泛应用。本项目拟采用第一性原理，系统研究S分别与不同离子共掺杂引起锐钛矿相TiO2晶体结构、能带结构和光谱特性变化的微观机制，以及掺杂原子能级与TiO2能级间相互作用的规律，揭示光激发、光生载流子输运与微观结构及掺杂元素之间的相互关系，分析掺杂影响氧化还原能力的机制，建立相应的理论模型，以获得高效可见光响应型TiO2光催化剂的改性机理；在此基础上优选出3～4 种S与不同离子共掺TiO2的组成，研究其合成工艺，并分析样品的性能及影响光催化活性的微观机理。.本项目的研究方法可有效克服光催化领域研究中普遍存在的盲目性和重复性问题，预期成果将揭示S与不同离子共掺杂影响TiO2光催化性能的本质，为其改性及制备提供理论指导。

TiO2光催化剂因具有活性高、稳定无毒等优点而得到重点研究，在污染治理、光解水制氢等领域极具应用潜力，但目前因存在只能响应紫外光和量子转换效率低两个瓶颈难题而限制了其广泛应用。本项目采用第一性原理，从理论上系统研究了S分别与过渡族金属离子、稀土金属离子、非金属离子等共掺杂对锐钛矿相TiO2的晶体结构、电子结构、光谱吸收特性、光催化性能等的影响规律及作用机理，阐明了光激发、光生载流子输运与晶体结构、能带结构及掺杂元素之间的相互关系，确定出S与不同离子共掺杂高效可见光响应型TiO2光催化剂的设计原则，依据此原则及理论研究结果筛选出Fe、Y、B、Ag、La、Ce、Fe、Co、Zn等金属离子分别与S共掺杂，采用微波化学法和溶胶-凝胶法相结合，通过改变不同的条件，制备出了S分别与上述离子共掺杂锐钛矿相TiO2纳米粉体样品，并对粉体的组成、结构、表面性质、光生载流子的复合情况、光学性质、光催化性能等进行了系统研究，获得了优化的制备工艺技术，研究结果表明：所选择的共掺杂离子及采用的制备工艺技术能有效促进TiO2光生电子和空穴的分离，使所制备样品均具有良好的可见光吸收性能，样品的光催化效率与德国Degussa公司生产的P25光催化剂相比得到大幅提高。同时本项目还开展了C与不同离子共掺杂对锐钛矿相TiO2的微观结构及物理、光催化性能影响的初步理论和实验研究。已在国内外期刊及学术会议上发表相关研究论文18篇，其中期刊论文15篇（含SCI收录5篇、EI收录9篇），会议论文3篇，申请中国发明专利2项。培养青年教师1名，研究生7名，完成了预期的研究任务及研究目标。本项目研究成果将为S与不同离子共掺杂改性TiO2的机理及实验研究提供科学依据，可有效克服目前该领域研究中普遍存在的盲目性和重复性问题。