TiO2基材料的能带调制与光电性能的理论与实验研究
本文围绕着锐钛矿型 TiO2的能带调制及光电性能进行了大量系统深入的理论和实验探究。 首先，完善了溶胶凝胶法和水热法制备锐钛矿相TiO2纳米材料的基本方法流程，XRD确定锐钛矿转变为金红石的相变温度为750℃至850℃之间。然后利用水热法制备非金属元素修饰的TiO2，发现退火步骤可以促进结晶，但降低催化性能，其中I修饰的TiO2表现出较强的催化能力，对甲基橙30min催化率能达到80％以上。 第三步利用溶剂热法制备稀土元素修饰的TiO2，发现稀土离子抑制了晶相转变和晶粒生长，晶粒粒径变小，比表面积增大，催化活性显著提高。掺杂双稀土离子的样品的降解效率明显优于掺杂单稀土元素的光催化剂，掺杂比例0.5%La+0.5%Y的TiO2对甲基橙30min催化率达到85.94%。第四步利用水热法制备了S2-、Fe3+修饰的TiO2，研究了金属和非金属元素的协同作用，发现掺杂后 TiO2的粒径减小，可吸收光波波长的临界值由387nm移动到400nm附近，即减小了能隙，S、Fe共掺杂可使TiO2对甲基橙的降解率获得进一步提升。 第五步采用溶胶-凝胶法制得Pure_TiO2、N/Fe_TiO2、N/Fe/La_TiO2粉体材料，XRD样品为锐钛矿相，但离子掺入引起晶格畸变，颗粒变小，发光峰移至425nm，能隙减小，进一步证明了N元素与其他金属元素的协同作用，并测得N/Fe/La_TiO2光催化降解能力比N/Fe_TiO2强，即利用稀土元素独特4f电子结构的复杂能级项可以进一步增强TiO2的催化能力。 第六步利用第一性原理计算了典型离子掺杂对TiO2的晶体结构和电子结构的影响，发现掺杂使TiO2晶格发生畸变，利于光生电子-空穴对的分离，杂质轨道电子杂化在导带与价带间形成杂质能级，减小了TiO2的带隙宽度，使光吸收曲线红移到可见光区，使其对可见光的利用率提高，并使位于TiO2价带顶的杂质能级的态密度峰明显增大，增加电子跃迁概率，提高对太阳能的利用率，综合作用使TiO2的光催化活性得到大幅提升，从理论上部分解释了掺杂离子提高催化能力的影响机理。
锐钛矿型二氧化钛;元素掺杂;能带调制;光催化性能;第一性原理
济南大学
硕士
物理学
张仲
2015
中文
TN304.21;O471.5
113
2017-08-15（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）