C(B)-Ag共掺的暴露（001）面的TiO2纳米片的几何结构、电子结构及其光学特性的研究

TiO2 nanosheet is an effective photocatalysis. Especially, (001) facets of nanosheet have a very high photoactivity which attracts wide interest. However, the band gap of pure TiO2 nanosheet is wide (3.2 eV), so the utilization of sunlight is limited. In this project,we will improve the visible photoactivity of TiO2 nanosheet by codoping with C(B) and Ag. In previous study, we have proposed the visible optical transition mechanism of N-B codoped TiO2. Here, we will try to reveal the mechanism of synergy of C(B) and Ag. First, we will build the models of pure and codoped TiO2 nanosheet, then, optimize the geometric structure, and define what structures are stable; Second, we will study the electric strctures of the stable codoped systems, and analyse the change of band gap, band edge, band gap states, Fermi energy. Furthermore, bonding situation will be researched by charge population and charge differential density. Last, the optical properties will be calculated. According to the results, we will reveal the mechanism of synergy which can provide an important information to design of photocatalytic materials.

TiO2纳米片能充分暴露高活性的(001)面，所以是一种高效的新型光催化剂。然而纯的TiO2纳米片是没有可见光催化效率的。共掺是改进(001)面TiO2纳米片可见光催化效率的有效手段，然而详细的光学跃迁机理以及协同作用机理并不清楚，所以新型共掺体系的设计尚有很大的优化空间。本项目拟设计非金属C(B)与金属Ag协同作用来优化共掺体系。通过深入研究电子结构和光学跃迁机理，揭示掺杂原子间的协同作用机理。首先，建立纯的和共掺杂的暴露(001)面的TiO2纳米片模型，进行几何优化，明确哪些共掺结构是稳定的和掺杂可行的。其次，对不同浓度和不同掺杂位置的稳定的共掺体系进行电子结构计算。研究体系的能带结构和电子态密度，并通过电荷布居数和电荷差分密度分析掺杂原子周围的成键情况。最后，计算介电函数虚部和吸收光谱，明确共掺体系的可见光学跃迁机理。通过揭示C(B)和Ag之间的协同作用为进一步的实验提供理论基础。

本项目我们主要做了两方面的研究。首先， 利用第一性原理的方法计算了C，Ag共掺杂TiO2的电子结构和光学特性。对于C和Ag共掺，我们首先建立了不同掺杂浓度和不同掺杂距离的模型，然后计算了相应的形成能，发现随着C掺杂浓度的增加，形成能也在增加，这说明掺杂浓度越高越不稳定。在低浓度掺杂的模型基础上，我们计算了相应的电子结构和光学特性。我们发现远距离掺杂和近距离掺杂这两种模型所对应的帯隙都比纯TiO2的帯隙低，而且远距离掺杂比近距离掺杂的帯隙更低。此外，我们发现C和Ag的距离较远时，产生的可见光学跃迁更强。我们也计算了C和Ag单掺杂的电子结构和光学吸收，发现单掺时没有共掺杂的效果好。这说明C和Ag共掺杂起到了协同作用。这些结果对于二氧化钛的可见光催化的应用提供了理论支持。其次，二维的TiO2纳米片由于具有独特的电子结构和高的表面活性，我们拓展了它在生物医学领域的应用，并取得了较好的结果。由于两维的TiO2纳米片的生物响应和毒理并不清楚。因此，我们对两维的TiO2纳米片进行了体内毒性研究，包括生物分布、血液学、生物化学和病理学。我们发现随着时间的增加，TiO2纳米片可以在肝和脾中逐渐聚集，这是由于大的尺寸导致的对RES的吸收。此外，血液数据表明，与对照组相比，没有明显的区别。然而，生物化学表明，AST在30天之后，与对照组相比有明显的变化。这份工作揭示了两维的TiO2纳米片并没有导致明显的毒性，但是随着注入时间的增加，导致了TiO2纳米片在肝脏中的蓄积和轻微的肝异常。