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S掺杂对锐钛矿相TiO2电子结构与光催化性能的影响.pdf
第57卷第6期2008年6月 物 理 学 报 V01.57,No.6,June,2008
ACTA
1000—3290/2008/57(06)/3760—09 PHYSjCASINICA ④2008
Chin.Phys.soc.
S掺杂对锐钛矿相Ti02电子结构与
光催化性能的影响*
赵宗彦 柳清菊+ 朱忠其 张 瑾
(云南大学.云南省高校纳米材料与技术重点实验室,昆明650091)
(2007年IO月29日收到;2007年12月3日收到修改稿)
采用基于第一性原理的平面波超软赝势方法研究了掺杂不同价态s的锐钛矿相Ti02的晶体结构、杂质形成
能、电子结构及光学性质.计算结果表明硫在掺杂体系中的存在形态与实验中的制备条件有关;掺杂后晶格发生畸
变、原子间的键长及原子的电荷量也发生了变化,导致晶体中的八面体偶极矩增大;S3p态与O2p态、T;3d态杂化
而使导带位置下移、价带位置上移及价带宽化,从而导致Ti02的禁带宽度变窄、光吸收曲线红移到可见光区.这些
结果很好地解释了S掺杂锐钛矿相Ti0,在可见光下具有优良的光催化性能的内在原因.根据计算结果分析比较了
硫以不同离子价态掺杂对锐钛矿相TiO,电子结构和光催化性能影响的差别.
关键词:锐钛矿相TiO:,S掺杂,第一性原理,光催化性能
PACC:7115M,7115H,7115A
化,禁带宽度会相应减小,从而拓宽了TiO:的光响
1.引 言 应范围.
Asahi等人【53采用第一性原理计算了F,N,C,S,
自从Fujishima等人…发现受紫外光照射的P取代锐钛矿相TiO:中的O的掺杂,结果表明N取
TiO:具有光催化效应以来,以TiO:为代表的光催化代掺杂最有效,同时他们认为s原子的掺杂可以使
材料得到了广泛的研究.TiO,本身具有良好的化学 TiO,带隙变窄,但由于S离子(S2一)半径太大,不可
稳定性、抗磨损性、低成本和无毒等特性,因而广泛 能在Ti一0间隙或者取代Tio中的。产生掺杂.但
被应用于太阳能电池、污水及空气净化、自清洁涂 随后的研究却表明,S是可以掺入到TiO,中的,其焦
层、抗菌、光解水制氢等领域心_4J.但是由于锐钛矿
相TiO,是一种宽禁带半导体,其禁带宽度为3.23
人¨o采用氧化退火TiS:的方法制备了s掺杂的锐钛
eV,只有在紫外光(A383.8nm)的激发下才能显示 矿相TiO,,通过实验推断认为微量的S以阴离子
出催化活性,而太阳光中紫外光能量仅占5%(可见 S2一进入到TiO:晶格中取代02一而形成TiO:一,S,晶
光能量占45%),这严重限制了TiO:应用的范围和
体,使Ti02的带隙变窄,从而在可见光激发下具有
规模.因此,如何有效地利用可见光是决定TiO:光 光催化活性.周武艺等人旧3采用酸催化溶胶.凝胶法
催化材料能否得到大规模应用的关键.近年来,为了 制备了S掺杂TiO:粉末,发现在热处理过程中s由
提高纳米TiO:的光催化性能、实现Ti02的可见光响
S2一被氧化为S4+并进入Ti0’晶格中取代了部分
应,研究者发现用非金属离子掺杂来改性TiO:的新 Ti4+位,导致了晶格畸变,带隙变窄,从而导致对光
的吸收发生了向可见光区移动.而Ohno等人u引用
方法,如N【5】,C[6],I【73等.非金属元素的掺杂一般是
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