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自从TiO2的光催化活性在1972年被日本科学家Fujishima和Honda证实以来,其廉价性、无毒性、稳定性和较强光催化活性就备受关注。TiO2作为一种理想的半导体材料被广泛应用于太阳能电池、污水处理等领域。锐钛矿(anatase)、板钛矿(brookite)、金红石(rutile)是目前TiO2在自然界中存有的三种晶相类型。这三种不同的类型中,利用可见光的光催化效果能达到最优的是锐钛矿相TiO2。由于锐钛矿相TiO2是一种宽禁带半导体,禁带宽度约为3.23eV,吸收波长约为384nm,主要吸收紫外光,其中紫外光只占太阳光较小的一部分,这样的缺点造成了对太阳能的利用率的限制性,成为了TiO2的实际应用范围之所以受到限制的根本原因。 为了提高TiO2对可见光的吸收能力和光催化能力,人们对TiO2进行了大量的研究,并取得一些成果。其中,对TiO2进行掺杂改性是提高其可见光效应的有效方法之一。由于Fe元素的多价性,单掺金属Fe原子在锐钛矿TiO2中也有双掺杂的协同效应,但是目前关于Fe单掺杂锐钛矿相TiO2能够产生双掺杂的协同作用的理论和实验研究尚未出现,同时利用Fe元素这种独特的优势,再掺杂进非金属元素,得到共掺杂体系,协同作用可以在这样的掺杂体系中逐步增强。但目前来看,在这方面提高此掺杂体系的光催化活性还缺少研究。 所以本文基于密度泛函理论下的第一性原理的方法,采用CASTEP(Cambridge Serial Total Energy Parkage)软件包,系统的计算了Fe元素单掺杂锐钛矿相TiO2,非金属元素C、F、Cl、Br单掺杂锐钛矿相TiO2以及Fe与C、F、Cl、Br共掺杂掺杂锐钛矿相TiO2的电子结构,本文从以下3个方面着手进行了探讨研究。 (1)本文系统的计算了Fe元素单掺杂锐钛矿相TiO2的3种不同浓度的电子结构及光学性质;在不同的浓度下,系统的比较Fe元素单掺杂锐钛矿相TiO2的能带结构、态密度和吸收光谱,从中得出有意义的结论,希望对实验能有指导作用。 (2)计算了相同的浓度下非金属元素C、F、Cl、Br单掺杂锐钛矿相TiO2的电子结构和光学上的吸收性质,结论亦非常有意义。 (3)在研究Fe元素以及非金属元素C、F、Cl、Br单掺杂锐钛矿相TiO2的基础上,又进行了Fe与C、F、Cl、Br共掺杂锐钛矿相TiO2的研究,计算了它们的电子结构及光学性质。