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Co,n共掺杂锐钛矿相TiO_2电子结构和光学性质的第一性原理研究

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原子与分子物理学报 2012年第4期29卷 746-752页

作者：程亮赵兴中甘章华武汉大学物理科学与技术学院武汉430072 武汉科技大学材料与冶金学院武汉430000

二氧化钛(TiO_2)作为一种性能优良的光催化剂已经被广泛地研究和使用.本研究中利用了第一性原理和GGA+U方法,对锐钛矿结构TiO_2晶体三种可能的(Co,n)共掺杂体系的几何结构、形成能、电子结构和光吸收系数进行了研究,并与单掺杂(Co/n)体... 详细信息

二氧化钛(TiO_2)作为一种性能优良的光催化剂已经被广泛地研究和使用.本研究中利用了第一性原理和GGA+U方法,对锐钛矿结构TiO_2晶体三种可能的(Co,n)共掺杂体系的几何结构、形成能、电子结构和光吸收系数进行了研究,并与单掺杂(Co/n)体系进行了对比.结果表明,在三种共掺杂TiO_2中,Co与n相邻时晶格畸变最小,但掺杂原子周围晶格畸变较大;同时,较低的形成能表明此种共掺杂结构最容易形成;此外,因为C0与n成键,其杂质能级的数目与能量较其他共掺杂结构有较大差异.(Co,n)共掺杂体系与未掺杂TiO_2的相比,其禁带宽度较小,禁带中存在杂质能级,因此其吸收边红移,在可见光波段有较好的光吸收能力.故(Co,n)共掺杂可以很好地提升锐钛矿型TiO_2在可见光波段的光催化性能.

关键词：锐钛矿相TiO2 第一性原理密度泛函理论 Co n共掺杂

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一种多孔FeOx,n共掺杂碳材料的制备及其在酸和碱电解液中的优异氧还原反应催化性能（英文）

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新型炭材料(中英文) 2024年

作者：高建王欣瑶孟令欣尹振马娜谭小耀张鹏分离膜与膜过程国家重点实验室天津市绿色化工过程重点实验室化学工程与技术学院天津工业大学海安南京大学高新技术研究院化工与材料学院天津科技大学环境科学与工程学院天津工业大学

为替代氧还原反应（ORR）的贵金属催化剂，近年来许多过渡金属和氮掺杂碳复合材料得到了快速的发展，并成为一种极具发展前景的非贵金属催化剂。本文以科琴黑（KB）为前驱体，通过与[Hvim]nO3聚合离子液体（PIL）和Fe（nO3）3充分混合... 详细信息

为替代氧还原反应（ORR）的贵金属催化剂，近年来许多过渡金属和氮掺杂碳复合材料得到了快速的发展，并成为一种极具发展前景的非贵金属催化剂。本文以科琴黑（KB）为前驱体，通过与[Hvim]nO3聚合离子液体（PIL）和Fe（nO3）3充分混合，然后在900°C下煅烧制得一种多孔FeOx, n共掺杂的碳材料，记为FeOx-n/C。由于[Hvim]nO3能与Fe3+离子紧密结合，并且nO3-会在高温下热解造孔，所以FeOx-n/C催化剂在碱性（0.1 M KOH）和酸性（0.5 M H2SO4）电解质中表现出了较高的ORR电催化活性。随后，FeOx-n/C作为阴极催化剂成功组装了一个锌空气电池（ZAB），实验证明其峰值功率密度高达185 mW·cm-2。优异的电催化活性、较宽的pH适用范围和简便的制备方法使得FeOx-n/C成为未来燃料电池和金属-空气电池的理想电催化材料。

关键词：氧还原反应离子液多孔碳电催化 FeO n共掺杂

Fe-n共掺杂锐钛矿相TiO_2电子性质与光学性质的第一性原理研究

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原子与分子物理学报 2010年第2期27卷 345-352页

作者：冯庆王渭华重庆师范大学物理学院重庆师范大学光学工程重点实验室重庆400047

近年来,Fe和n掺杂锐钛矿相TiO_2半导体在实验中发现许多优异性能,本文采用基于密度泛函理论的平面波超软赝势方法研究了纯锐钛矿相TiO_2、Fe和n单掺杂及Fe和n共掺杂TiO_2的能带结构、电荷布居、态密度和光学性质.分析发现:Fe掺杂引起杂... 详细信息

近年来,Fe和n掺杂锐钛矿相TiO_2半导体在实验中发现许多优异性能,本文采用基于密度泛函理论的平面波超软赝势方法研究了纯锐钛矿相TiO_2、Fe和n单掺杂及Fe和n共掺杂TiO_2的能带结构、电荷布居、态密度和光学性质.分析发现:Fe掺杂引起杂质能带位于禁带中央,杂质能带最高点与导带相距大约0.6 eV而最低点与价带相距大约0.2 eV;n掺杂引起的杂质能带位于价带顶部附近.Fe和n共掺杂后杂质能带由两部分组成,位于价带顶上方0.62 eV和导带底下方0.22 eV处,其中一层杂质能带主要由n原子的2p轨道和Fe原子的3d轨道杂化形成,而另一条杂质能带主要由Fe原子的3d轨道形成,由于杂质能级的出现,使锐钛矿TiO_2的禁带宽度变小.对光学性质分析发现:Fe和n共掺杂会使锐钛矿TiO_2光学吸收带边红移,可见光区的光吸收系数明显增大,在低能区出现了新的吸收峰,对应能量为1.82 eV,与实验结果相符.

关键词：锐钛矿相TiO2 第一性原理密度泛函理论 Fe n共掺杂

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Ce及Ce/n共掺杂纳米TiO2光催化剂的性能研究

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Ce及Ce/N共掺杂纳米TiO2光催化剂的性能研究

作者：燕宁宁云南大学

学位级别：硕士

随着环境污染的日益加剧,对稳定性好且性能优良的光催化材料的需求越来越迫切。其中,TiO2因化学稳定性好、价格低廉、对人体无毒、氧化还原能力强等优点,在半导体光催化领域中得到了重点研究。但-方面,TiP2的禁带宽度较宽(3.2eV),使其... 详细信息

随着环境污染的日益加剧,对稳定性好且性能优良的光催化材料的需求越来越迫切。其中,TiO2因化学稳定性好、价格低廉、对人体无毒、氧化还原能力强等优点,在半导体光催化领域中得到了重点研究。但-方面,TiP2的禁带宽度较宽(3.2eV),使其只能吸收波长小于387nm的紫外光能量,对太阳光能的利用率很低;另一方面,光催化反应中产生的光生电子和空穴极易复合,大大降低了其量子转换效率,从而限制了实际应用。因此,窄化Ti02禁带宽度,拓宽其对可见光的响应范围,进而提高其光催化活性具有重要的学术和应用价值。近年来,国内外众多研究者通过染料光敏化、半导体复合、离子掺杂等方法对其进行改性,其中离子掺杂由于制备方法简单、改性效果良好等优点,在众多改性方法中得到了重点关注。此外,通过研究发现,稀土金属离子与非金属n离子共掺杂TiP2具有优异的光催化性能。本文在课题组前期理论计算的指导下,采用溶胶.凝胶法结合微波化学合成法制备了稀土铈(Ce)离子掺杂纳米TiO2(Ce-TiO2)光催化剂及Ce、n离子共掺杂纳米TiO2(Ce/n-TiO2)光催化剂,利用XRD、XPS、TEM、 nanosizer纳米粒度仪对其结构、形貌及粒径分布进行表征分析,利用FT-IR、UV-Vis及PL对其光谱性能进行表征,并以亚甲基蓝(MB)和甲醛作为目标降解物,考察了普通日光灯下样品的光催化活性。本论文的主要研究内容和结果如下：Ce掺杂纳米TiO2(Ce-TiO2)光催化剂：以水为溶剂,Ce (nO3)3·6H2O作为Ce源,采用溶胶-凝胶法制备了Ce-TiO2光催化剂。选用L25(53)正交试验,主要研究热处理温度、Ce掺杂浓度及pH值对Ce-TiO2的晶型结构、光谱吸收和光催化性能的影响。实验以Ce-TiO2的光催化活性为依据,得出对Ce-TiO2光催化效果影响的实验因素由主到次依次为：热处理温度>Ce掺杂浓度>pH值。通过实验得出最佳的制备条件为：60℃水浴,pH=1.5,Ce:TiO2(摩尔比)=0.33%,600℃热处理4h。实验结果表明：Ce离子的掺入抑制了TiO2由锐钛矿相向金红石相的转变和颗粒的长大,拓宽了其在可见光区的吸收范围,降低了光生电子和空穴的复合几率。相比纯TiO2,最佳条件下所制备的纳米Ce-TiO2光催化剂使TiO2的吸收带边发生了明显的红移,最大红移量约为50nm。月Ce-TiO2的荧光光谱强度明显低于纯TiO2。同时,Ce-TiO2在普通日光灯下对亚甲基蓝在8小时内的光催化降解效率达90.03%,明显高于同等条件下P25对业甲基蓝的降解率(68.15%)。二、Ce、n共掺杂纳米TiO2(Ce/n-TiO2)光催化剂：在采用溶胶-凝胶法制备Ce-TiO2的基础上,以尿素作为n源,结合微波化学合成法制备了Ce/n-TiO2光催化剂。主要研究热处理温度和Ce掺杂浓度对Ti02光催化性能的影响。实验所得的最佳制备条件为：Ce:TiO2(摩尔比)=0.25%,n掺杂量为10g,pH=1.5,微波反应压强为4.827×105Pa,600℃热处理4h。实验结果表明：Ce、n共掺杂能非常有效地抑制TiO2的相变,700℃条件下制备的共掺杂样品才开始出现少量的金红石相。Ce、n共掺杂明显抑制了TiO2晶粒的长大,扩宽了TiO2在可见光区的光谱吸收范围,降低了TiO2的荧光光谱强度。最佳条件下制备的Ce/n-TiO2样品在普通日光灯下有着优异的光催化性能,其对亚甲基蓝在6小时内的光催化降解效率达83.91%,明显高于同等条件下P25对甲基蓝的降解率(58.72%)。此外,Ce/n-TiO2光催化剂在普通日光灯下,10天对高浓度甲醛的降解率可达72.5%,这主要是由于Ce、n共掺杂对锐钛矿相TiO2具有稳定作用,有效抑制了光生电子和空穴的复合,增大了其对可见光的吸收范围,进而提高了其在可见光下对甲醛的降解效果。本文的创新点主要体现在以下几个方面：(1)本论文的实验研究是在课题组理论计算的指导下进行的,有效克服了目前实验研究中普遍存在的盲目性和重复性问题;(2)通过本论文的研究发现Ce单掺及Ce、n共掺杂均会向TiO2中引入可捕获光生电子的杂质能级,使其吸收带边拓展至可见光区,并能有效降低光生载流子的复合几率。(3)所制备的Ce-TiO2和Ce/n-TiO2样品在同等条件下,在可见光下的光催化活性均显著优于P25。

关键词：纳米TiO2 Ce n共掺杂 Ce离子掺杂光催化

一种多孔FeOx,n共掺杂炭材料的制备及其氧还原反应性能（英文）

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新型炭材料(中英文) 2024年第6期 1202-1212页

作者：高建王欣瑶孟令欣尹振马娜谭小耀张鹏天津工业大学化学工程与技术学院天津市绿色化工过程重点实验室分离膜与膜过程国家重点实验室海安南京大学高新技术研究院天津科技大学化工与材料学院天津工业大学环境科学与工程学院

为替代氧还原反应（ORR）的贵金属催化剂，近年来许多过渡金属和氮掺杂炭复合材料得到了快速的发展，并成为一种极具发展前景的非贵金属催化剂。本文以科琴黑（KB）为前驱体，通过与[Hvim]nO3聚合离子液体（PIL）和Fe（nO3）3充分混合... 详细信息

为替代氧还原反应（ORR）的贵金属催化剂，近年来许多过渡金属和氮掺杂炭复合材料得到了快速的发展，并成为一种极具发展前景的非贵金属催化剂。本文以科琴黑（KB）为前驱体，通过与[Hvim]nO3聚合离子液体（PIL）和Fe（nO3）3充分混合，然后在900°C下煅烧制得一种多孔FeOx,n共掺杂的炭材料（记为FeOx-n/C）。由于[Hvim]nO3能与Fe3+离子紧密结合，且nO3-会在高温下热解造孔，所以FeOx-n/C催化剂在碱性(0.1 mol L-1KOH)和酸性(0.5 mol L-1H2SO4)电解质中表现出了较高的ORR电催化活性。随后，FeOx-n/C作为阴极催化剂成功组装了一个锌空气电池（ZAB），其峰值功率密度高达185 m W·cm-2。优异的电催化活性、较宽的p H值适用范围和简便的制备方法使得FeOx-n/C成为未来燃料电池和金属-空气电池的理想电催化材料。

关键词：氧还原反应离子液多孔炭电催化 FeOx n共掺杂

Pt-TiO2和Pt-n-TiO2的制备及其可见光催化性能的研究

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Pt-TiO2和Pt-N-TiO2的制备及其可见光催化性能的研究

作者：景明俊河南大学

学位级别：硕士

在多相光催化反应中，二氧化钛(TiO)被公认为是一种性能良好的光催化剂。但因其具有较大的禁带宽度(3.0.2eV)，只能利用紫外光区的能量，紫外光区只占太阳光总能量的5%。所以将TiO光催化活性扩展到可见光区成为研究热点。外来原子掺杂... 详细信息

在多相光催化反应中，二氧化钛(TiO)被公认为是一种性能良好的光催化剂。但因其具有较大的禁带宽度(3.0.2eV)，只能利用紫外光区的能量，紫外光区只占太阳光总能量的5%。所以将TiO光催化活性扩展到可见光区成为研究热点。外来原子掺杂的方法可以有效的减小TiO的禁带宽度从而扩展其可见光响应，然而，关于掺杂元素对提高TiO可见光响应的作用机理仍存在较多争论，为进一步了解影响TiO可见光光催化活性的因素，本文以具有较大比表面积的纳米管钛酸(nTA)为前驱体，采用不同方法制备得到单一金属Pt掺杂TiO以及金属Pt和非金属n共掺杂TiO来探究影响样品可见光催化活性的因素。具体研究内容和结果如下： ①以nTA为前驱体，采用水热法制备了不同水热温度下的Pt掺杂TiO样品。以丙烯为模型污染物，评价样品的可见光(λ≥420nm)光催化活性，结果表明，水热法所制备的单一Pt掺杂TiO均具有较好的可见光催化活性，其中160℃水热处理制得的样品活性最高，扩展可见光响应的根本原因在于氧空位的产生，同时样品中Pt元素的存在形式以及样品的晶型和颗粒尺寸均对样品的可见光催化活性产生影响。此外，水热反应过程中，nTA表面羟基与氯铂酸发生酸碱中和反应，导致反应后pH值升高，结合晶型转变过程讨论了水热过程中Pt离子掺杂进入TiO晶格的形成机理。 ②将nTA和氯铂酸在低温下混合，然后将混合物在氩气保护下经不同温度焙烧处理，制备得到单一Pt掺杂TiO样品。对样品的表面组成进行分析表明，以氯铂酸为Pt源，经不同焙烧温度处理后所得样品中Pt元素的存在形式不同。焙烧温度为300℃时，主要以PtClx物种吸附于管状结构表面;随着热处理温度的升高，逐步转变为二价Pt离子的形式掺杂进入TiO晶格间隙中;当温度达到600℃时，形成单质Pt负载于TiO表面。在可见光照射下，测试样品光催化氧化降解丙烯的活性，结果表明，在焙烧温度为500℃时所得样品活性最好，当焙烧温度T≥600℃时，样品的光催化活性降低。结合样品的形貌、晶型以及顺磁性等测试结果认为，样品的可见光催化活性高低是由样品中含有的氧空位，样品的晶型和颗粒尺寸，以及样品中Pt元素的存在形式和Pt颗粒尺寸共同决定的。 ③以nTA为前驱体，分别采用固态尿素和气态氨气为n源，经焙烧处理制备得到Pt、n共掺杂TiO。以丙烯为模型污染物，评价样品的可见光光催化活性，结果表明，无论是以尿素还是以氨气为n源所制备得到的Pt、n共掺杂TiO样品，在前驱体nTA的管状结构转变为TiO的纳米颗粒之后，均表现出较好的可见光光催化活性。以尿素为n源时，焙烧温度为700℃时样品的光催化活性最高;以氨气为n源时，焙烧温度为400℃时样品的光催化活性最高。n元素的引入，有利于形成Pt颗粒尺寸小且分散均匀的负载型TiO，从而有效地提高载流子的分离效率，提高样品的光催化活性。与单一Pt掺杂TiO样品的光催化活性相比，Pt、n共掺杂TiO样品具有更高的可见光光催化活性，说明金属和非金属共掺杂改性可以更好的扩展TiO对可见光的响应。此外，通过对样品的物理化学性质进行测试分析了影响Pt、n共掺杂TiO样品可见光催化活性的因素，并初步讨论了Pt、n共掺杂TiO样品中含有的氧空位、掺杂的n元素及Pt单质之间的协同作用。

关键词：纳米管钛酸 Pt掺杂 Pt n共掺杂氧空位可见光光催化