过渡金属离子的掺杂对TiO2光催化性能的影响机理研究

过渡金属掺杂是实现纳米二氧化钛(TiO2)可见光响应的重要途径之一。但过渡金属对于TiO2的掺杂能力、掺杂量及其对TiO2电子结构和吸光能力的影响以及掺杂机理的研究尚缺少系统深入的研究。本课题拟通过第一性原理的方法计算第四、第五和第六周期过渡金属离子替换锐钛矿型TiO2中钛原子后结合能的变化，得到不同过渡金属离子在锐钛矿型TiO2中的掺杂极限，得到适合于掺杂TiO2的过渡金属元素的种类；进而以此为基础建立TiO2掺杂模型，计算出对应的过渡金属离子掺杂TiO2的电子结构，分析掺杂对TiO2结构中电子在费米能级附近的态密度、电子密度实空间分布、带隙宽度和光吸收性能等的影响规律，揭示过渡金属离子掺杂TiO2光响应特性的本质，得到最佳的掺杂浓度，为过渡金属离子掺杂TiO2的制备提供理论依据；最后采用水热法制备一种经过优化的过渡金属离子掺杂纳米TiO2，研究光吸收特性和光催化性能，验证理论研究结果。

本课题采用第一性原理的方法，分别计算了第四、第五和第六周期过渡金属离子替代锐钛矿型二氧化钛（TiO2）结构中Ti原子后的结合能，通过结合能的变化情况进一步计算出过渡金属离子在锐钛矿型 TiO2中的理论掺杂极限，由此优化出适合掺杂TiO2的过渡金属离子。在结合能计算结果的基础上，优化出的过渡金属离子种类为W、V、Mo、Ag、Y。在此基础上，分别采用第一性原理计算了W、V、Mo、Ag、Y离子掺杂对TiO2能带结构、光吸收性能以及光催化性能的影响规律。采用低温水热合成法，分别合成了W、V、Mo、Ag、Y掺杂纳米二氧化钛粉体。研究结果表明，所合成的系列过渡金属掺杂TiO2粉体的光催化性能与理论计算相符。同时，进一步研究了(Mo-N)、(Cr-N)、(V-Y)共掺杂对TiO2能带结构、光吸收及其光催化性能的影响规律，表明共掺杂可进一步提高可见光光催化性能。