搜索

x

留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

P掺杂锐钛矿相TiO2的第一性原理计算

郑树凯 吴国浩 刘磊

引用本文:
Citation:

P掺杂锐钛矿相TiO2的第一性原理计算

郑树凯, 吴国浩, 刘磊

First-principles calculations of P-doped anatase TiO2

Zheng Shu-Kai, Wu Guo-Hao, Liu Lei
PDF
导出引用
  • 利用基于密度泛函理论的第一性原理对不同P掺杂形式(P替位Ti, P替位O, 间隙P)的锐钛矿相TiO2的晶格常数、电荷布居、能带结构、分态密度和吸收光谱进行了计算. 结果表明, P替位Ti时, TiO2体积减小, P替位O和间隙P的存在使TiO2的体积膨胀; 替位Ti的P和间隙P均有不同程度的氧化, 而替位O的P带有负电荷. 三种P掺杂形式均导致锐钛矿相TiO2禁带宽度的增大, 并在TiO2禁带之内引入了掺杂局域能级. P掺杂导致TiO2禁带宽度增大的程度依次为: 间隙P>P替位Ti>P替位O. 吸收光谱的计算结果表明, P替位Ti并不能增强TiO2的可见光吸收能力, 但间隙P的存在大幅提高了TiO2的可见光光吸收能力, 间隙P有可能是造成实验上P掺杂增强锐钛矿相TiO2光催化活性的重要原因.
    The lattice parameters, charge populations, band structures, density of states and absorption spectra of P-doped anatase TiO2 are calculated using the first-principles based on the density functional theory. The results indicate that when the Ti atom is substituted for P atom, the volume of TiO2 decreases. When P atom substitutes for O atom or exists as interstitial atom, the volume of TiO2 increases. The substitutional P at Ti site and interstitial P are oxidized to different degrees, and the substitutional P at O site is reduced a little. The different three sites of P doping result in the increase of anatase TiO2 forbidden gap width and the introduction of local doping energy levels. The band gap increasing of P-doped anatase TiO2 is in the following sequence: interstitial P>substitutional P at Ti site>substitutional P at O site. The absorption spectra indicate that the substitutional P at Ti site cannot enhance the visible light absorption ability of the anatase TiO2, whereas the interstitial P strongly enhances the visible light absorption ability of the anatase TiO2. The interstitial P is probably an important reason for the experimental enhancement of the photocatalytic activity of P-doped anatase TiO2.
    • 基金项目: 国家自然科学基金(批准号:61204079)和河北省自然科学基金(批准号:E2012201088)资助的课题.
    • Funds: Project supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant No. 61204079) and the Natural Science Foundation of Hebei Province, China (Grant No. E2012201088).
    [1]

    Zhang Y, Tang C Q, Dai J 2005 Acta Phys. Sin. 54 323 (in Chinese) [张勇, 唐超群, 戴君 2005 54 323]

    [2]

    Peng L P, Xia Z C, Yang C Q 2012 Acta Phys. Sin. 61 127104 (in Chinese) [彭丽萍, 夏正才, 杨昌权 2012 61 127104]

    [3]

    Wu G H, Zheng S K, Liu L, Jia C J 2012 Acta Phys. Sin. 61 223101 (in Chinese) [吴国浩, 郑树凯, 刘磊, 贾长江 2012 61 223101]

    [4]

    Asahi R, Morikawa T, Ohwaki T, Aoki K, Taga Y 2001 Science 293 269

    [5]

    Hamadanian M, Reisi-Vanani A, Behpour M, Esmaeily A S 2011 Desalination 281 319

    [6]

    Hamadanian M, Reisi-Vanani A, Majedi A 2010 Appl. Surf. Sci. 256 1837

    [7]

    Wang X K, Wang C, Jiang W J, Guo W L, Wang J G 2012 Chem. Eng. J. 189-190 288

    [8]

    Parayil S K, Kibombo H S, Wu C M, Peng R, Baltrusaitis J, Koodali R T 2012 Inter. J. Hydrogen Energy 37 8257

    [9]

    Lin L, Lin W, Xie J L, Zhu Y X, Zhao B Y, Xie Y C 2007 Appl. Catal. B: Environ. 75 52

    [10]

    Lv Y Y, Yu L S, Zhang X L, Yao J Y, Zou R Y, Dai Z 2011 Appl. Surf. Sci. 257 5715

    [11]

    Jin C, Qiu S C, Zhu Y X, Xie Y C 2011 Chin. J. Catal. 32 1173

    [12]

    Asapu R, Palla V M, Wang B, Guo Z H, Sadu R, Chen D H 2011 J. Photochem. Photobio. A: Chem. 225 81

    [13]

    Shi Q, Yang D, Jiang Z Y, Li J 2006 J. Mol. Catal. B: Enzym. 43 44

    [14]

    Zheng R Y, Lin L, Xie J L, Zhu Y X, Xie Y C 2008 J. Phys. Chem. C 112 15502

    [15]

    Yu H F 2007 J. Phys. Chem. Solids 68 600

    [16]

    Xu L, Tang C Q, Qian J, Huang Z B 2010 Appl. Surf. Sci. 256 2668

    [17]

    Sato J, Kobayashi H, Inoue Y 2003 J. Phys. Chem. B 107 7970

    [18]

    Peng Y H, He J F, Liu Q H, Sun Z H, Yan W S, Pan Z Y, Wu Y F, Liang S Z, Chen W R, Wei S Q 2011 J. Phys. Chem. C 115 8184

    [19]

    Lin L, Lin W, Zhu Y X, Zhao B Y, Xie Y C 2005 Chem. Lett. 34 284

    [20]

    Nakahira A, Konishi K, Yokota K, Honma T, Aritani H, Tanaka K 2006 J. Ceram. Soc. Jpn. 114 46

    [21]

    Baunack S, Oswald S, Scharnweber D 1998 Surf. Interface Anal. 26 471

    [22]

    Körsi L, Dékány I 2006 Colloid Surf. A: Physicochem. Eng. Asp. 280 146

    [23]

    Xiong S Y, Wang L, Dong Q M, Liang P 2012 Sci. China: Phys. Mech. Astron. 42 6 (in Chinese) [熊斯雨, 王乐, 董前民, 梁培 2012 中国科学: 物理学 力学 天文学 42 6]

    [24]

    Zhang Y Y, Fu W Y, Yang H B, Liu S K, Sun P, Yuan M X, Ma D, Zhao W Y, Sui Y M, Li M H, Li Y X 2009 Thin Solid Films 518 99

    [25]

    Lv Y Y, Yu L S, Huang H Y, Liu H L, Feng Y Y 2009 J. Alloys Compd. 488 314

  • [1]

    Zhang Y, Tang C Q, Dai J 2005 Acta Phys. Sin. 54 323 (in Chinese) [张勇, 唐超群, 戴君 2005 54 323]

    [2]

    Peng L P, Xia Z C, Yang C Q 2012 Acta Phys. Sin. 61 127104 (in Chinese) [彭丽萍, 夏正才, 杨昌权 2012 61 127104]

    [3]

    Wu G H, Zheng S K, Liu L, Jia C J 2012 Acta Phys. Sin. 61 223101 (in Chinese) [吴国浩, 郑树凯, 刘磊, 贾长江 2012 61 223101]

    [4]

    Asahi R, Morikawa T, Ohwaki T, Aoki K, Taga Y 2001 Science 293 269

    [5]

    Hamadanian M, Reisi-Vanani A, Behpour M, Esmaeily A S 2011 Desalination 281 319

    [6]

    Hamadanian M, Reisi-Vanani A, Majedi A 2010 Appl. Surf. Sci. 256 1837

    [7]

    Wang X K, Wang C, Jiang W J, Guo W L, Wang J G 2012 Chem. Eng. J. 189-190 288

    [8]

    Parayil S K, Kibombo H S, Wu C M, Peng R, Baltrusaitis J, Koodali R T 2012 Inter. J. Hydrogen Energy 37 8257

    [9]

    Lin L, Lin W, Xie J L, Zhu Y X, Zhao B Y, Xie Y C 2007 Appl. Catal. B: Environ. 75 52

    [10]

    Lv Y Y, Yu L S, Zhang X L, Yao J Y, Zou R Y, Dai Z 2011 Appl. Surf. Sci. 257 5715

    [11]

    Jin C, Qiu S C, Zhu Y X, Xie Y C 2011 Chin. J. Catal. 32 1173

    [12]

    Asapu R, Palla V M, Wang B, Guo Z H, Sadu R, Chen D H 2011 J. Photochem. Photobio. A: Chem. 225 81

    [13]

    Shi Q, Yang D, Jiang Z Y, Li J 2006 J. Mol. Catal. B: Enzym. 43 44

    [14]

    Zheng R Y, Lin L, Xie J L, Zhu Y X, Xie Y C 2008 J. Phys. Chem. C 112 15502

    [15]

    Yu H F 2007 J. Phys. Chem. Solids 68 600

    [16]

    Xu L, Tang C Q, Qian J, Huang Z B 2010 Appl. Surf. Sci. 256 2668

    [17]

    Sato J, Kobayashi H, Inoue Y 2003 J. Phys. Chem. B 107 7970

    [18]

    Peng Y H, He J F, Liu Q H, Sun Z H, Yan W S, Pan Z Y, Wu Y F, Liang S Z, Chen W R, Wei S Q 2011 J. Phys. Chem. C 115 8184

    [19]

    Lin L, Lin W, Zhu Y X, Zhao B Y, Xie Y C 2005 Chem. Lett. 34 284

    [20]

    Nakahira A, Konishi K, Yokota K, Honma T, Aritani H, Tanaka K 2006 J. Ceram. Soc. Jpn. 114 46

    [21]

    Baunack S, Oswald S, Scharnweber D 1998 Surf. Interface Anal. 26 471

    [22]

    Körsi L, Dékány I 2006 Colloid Surf. A: Physicochem. Eng. Asp. 280 146

    [23]

    Xiong S Y, Wang L, Dong Q M, Liang P 2012 Sci. China: Phys. Mech. Astron. 42 6 (in Chinese) [熊斯雨, 王乐, 董前民, 梁培 2012 中国科学: 物理学 力学 天文学 42 6]

    [24]

    Zhang Y Y, Fu W Y, Yang H B, Liu S K, Sun P, Yuan M X, Ma D, Zhao W Y, Sui Y M, Li M H, Li Y X 2009 Thin Solid Films 518 99

    [25]

    Lv Y Y, Yu L S, Huang H Y, Liu H L, Feng Y Y 2009 J. Alloys Compd. 488 314

  • [1] 龚凌云, 张萍, 陈倩, 楼志豪, 许杰, 高峰. Nb5+掺杂钛酸锶结构与性能的第一性原理研究.  , 2021, 70(22): 227101. doi: 10.7498/aps.70.20211241
    [2] 周诗文, 彭平, 陈文钦, 庾名槐, 郭惠, 袁珍. Ce和O空位共掺杂TiO2的电子结构与光学性质.  , 2019, 68(3): 037101. doi: 10.7498/aps.68.20181946
    [3] 潘凤春, 徐佳楠, 杨花, 林雪玲, 陈焕铭. 非掺杂锐钛矿相TiO2铁磁性的第一性原理研究.  , 2017, 66(5): 056101. doi: 10.7498/aps.66.056101
    [4] 李聪, 郑友进, 付斯年, 姜宏伟, 王丹. 稀土(La/Ce/Pr/Nd)掺杂锐钛矿相TiO2磁性及光催化活性的第一性原理研究.  , 2016, 65(3): 037102. doi: 10.7498/aps.65.037102
    [5] 潘凤春, 林雪玲, 陈焕铭. C掺杂金红石相TiO2的电子结构和光学性质的第一性原理研究.  , 2015, 64(22): 224218. doi: 10.7498/aps.64.224218
    [6] 侯清玉, 赵春旺. 第一性原理研究钨掺杂对锐钛矿物性的影响.  , 2015, 64(24): 247201. doi: 10.7498/aps.64.247201
    [7] 王涛, 陈建峰, 乐园. I掺杂金红石TiO2(110)面的第一性原理研究.  , 2014, 63(20): 207302. doi: 10.7498/aps.63.207302
    [8] 谢东, 冷永祥, 黄楠. C掺杂TiO薄膜的制备及其第一性原理研究.  , 2013, 62(19): 198103. doi: 10.7498/aps.62.198103
    [9] 李宗宝, 王霞, 贾礼超. N/Fe共掺杂锐钛矿TiO2(101)面协同作用的第一性原理研究.  , 2013, 62(20): 203103. doi: 10.7498/aps.62.203103
    [10] 张学军, 张光富, 金辉霞, 朱良迪, 柳清菊. N, Co共掺杂锐钛矿相TiO2光催化剂的第一性原理研究.  , 2013, 62(1): 017102. doi: 10.7498/aps.62.017102
    [11] 王寅, 冯庆, 王渭华, 岳远霞. 碳-锌共掺杂锐钛矿相TiO2 电子结构与光学性质的第一性原理研究.  , 2012, 61(19): 193102. doi: 10.7498/aps.61.193102
    [12] 李聪, 侯清玉, 张振铎, 赵春旺, 张冰. Sm-N共掺杂对锐钛矿相TiO2的电子结构和吸收光谱影响的第一性原理研究.  , 2012, 61(16): 167103. doi: 10.7498/aps.61.167103
    [13] 李聪, 侯清玉, 张振铎, 张冰. Eu掺杂量对锐钛矿相TiO2电子寿命和吸收光谱影响的第一性原理研究.  , 2012, 61(7): 077102. doi: 10.7498/aps.61.077102
    [14] 张振铎, 侯清玉, 李聪, 赵春旺. Nd高掺杂锐钛矿相TiO2电子结构和吸收光谱的第一原理研究.  , 2012, 61(11): 117102. doi: 10.7498/aps.61.117102
    [15] 张学军, 柳清菊, 邓曙光, 陈娟, 高攀. Mn,N共掺杂对锐钛矿相TiO2微观结构和性能的影响.  , 2011, 60(8): 087103. doi: 10.7498/aps.60.087103
    [16] 张计划, 丁建文, 卢章辉. Co掺杂MgF2电子结构和光学特性的第一性原理研究.  , 2009, 58(3): 1901-1907. doi: 10.7498/aps.58.1901
    [17] 廖秋荣, 胡运生, 刘荣辉, 刘元红, 滕晓明, 夏天, 庄卫东. P掺杂对绿色荧光粉BaMgAl10O17:Mn2+性能的影响.  , 2009, 58(4): 2776-2780. doi: 10.7498/aps.58.2776
    [18] 赵宗彦, 柳清菊, 朱忠其, 张 瑾. S掺杂对锐钛矿相TiO2电子结构与光催化性能的影响.  , 2008, 57(6): 3760-3768. doi: 10.7498/aps.57.3760
    [19] 彭丽萍, 徐 凌, 尹建武. N掺杂锐钛矿TiO2光学性能的第一性原理研究.  , 2007, 56(3): 1585-1589. doi: 10.7498/aps.56.1585
    [20] 赵宗彦, 柳清菊, 张 瑾, 朱忠其. 3d过渡金属掺杂锐钛矿相TiO2的第一性原理研究.  , 2007, 56(11): 6592-6599. doi: 10.7498/aps.56.6592
计量
  • 文章访问数:  7617
  • PDF下载量:  1326
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2012-08-18
  • 修回日期:  2012-09-26
  • 刊出日期:  2013-02-05

/

返回文章
返回
Baidu
map