氮掺杂对金红石二氧化钛光电特性影响的理论研究

doi:10.19964/j.issn.1006-4990.2021-0473

摘要/Abstract

摘要：

运用第一性原理LDA+U方法，计算不同浓度氮元素掺杂金红石相二氧化钛的能带结构、态密度和光学性质，研究显示氮元素的掺入使TiO_2-_x N _x 体系带隙变窄。而O-2p与N-2p轨道杂化耦合在费米能级附近出现了杂质能级，促使载流子跃迁变容易，从而拓展了TiO_2-_x N _x 体系对可见光的响应范围。此外，杂质能级对电子-空穴对的复合有抑制作用，对光催化活性的提升具有积极作用。研究结果表明，当氮元素掺杂量（x）为0.062 5时，TiO_2-_x N _x 体系光吸收性能与光电响应较好。

关键词: 氮掺杂, 金红石二氧化钛, 第一性原理, 光学性质

Abstract:

Using first?principles LDA+U method，the band structure，density of states and optical properties of rutile TiO₂ doped with different concentrations of N element were calculated.Investigation indicated that the band gap of TiO_2-_x N₂ system was narrowed by the N-dopant.Meanwhile，the impurity level formed by the hybrid coupling of O-2p and N-2p orbitals arised near the Fermi level，it made the carrier transition more readily and extended the response range of TiO_2-_x N _x system to visible light.In addition，the impurity level inhibited the recombination of electron?hole pairs and exerted positive effect on the improvement of photocatalytic activity.The research result showed that when N doping amount was 0.062 5，the optical absorption performance and the corresponding photoelectric response of TiO_2-_x N _x system were better.

Key words: N-doping, rutile TiO₂, first?principles, optical properties

中图分类号:

TQ134.11

侯艳,高成娟,吴希喆,资雪池,谢露,杨海征,闫宇星. 氮掺杂对金红石二氧化钛光电特性影响的理论研究[J]. 无机盐工业, 2022, 54(6): 90-95.

HOU Yan,GAO Chengjuan,WU Xizhe,ZI Xuechi,XIE Lu,YANG Haizheng,YAN Yuxing. Theoretical study on effect of nitrogen doping on photoelectric properties of rutile TiO₂[J]. Inorganic Chemicals Industry, 2022, 54(6): 90-95.

图/表 8

图1

图2

图3

图4

图5

图6

图7

图8

参考文献 35

1	CHEN Haihan， NANAYAKKARA C E， GRASSIAN V H.Titanium dioxide photocatalysis in atmospheric chemistry［J］.Chemical Reviews，2012，112（11）：5919-5948.
2	CHEN Xiaobo.Titanium dioxide nanomaterials and their energy applications［J］.Chinese Journal of Catalysis，2009，30（8）：839-851
3	AN Jincheng， TIAN Zhifeng， ZHANG Li，et al.Supramolecular Co-adsorption on TiO₂ to enhance the efficiency of dye⁃sensitized solar cells［J］.Journal of Materials Chemistry A，2021，9（23）：13697-13703
4	FENG Ningdong， WANG Qiang， ZHENG Anmin，et al.Understand⁃
	ing the high photocatalytic activity of（B，Ag）-codoped TiO 2 under solar⁃light irradiation with XPS，solid⁃state NMR，and DFT calculations［J］.Journal of the American Chemical Society，2013，135（4）：1607-1616.
5	AFZAL S， DAOUD W A， LANGFORD S J.Superhydrophobic and photocatalytic self⁃cleaning cotton［J］.Journal of Materials Chemistry A，2014，2（42）：18005-18011.
6	KHAN S U M， AL-SHAHRY M， INGLER JR W B.Efficient photo⁃
	chemical water splitting by a chemically modified n-TiO 2［J］.Sci⁃
	ence，2002，297（5590）：2243-2245.
7	ZHANG Jinlong， WU Yongmei， XING Mingyang，et al.Development of modified N doped TiO₂ photocatalyst with metals，nonmetals and metal oxides［J］.Energy & Environmental Science，2010，3（6）：715-726.
8	FUJISHIMA A， HONDA K.Electrochemical photolysis of water at a semiconductor electrode［J］.Nature，1972，238（5358）：37-38.
9	林文丽，邹云玲，晏杲，等.氮掺杂板钛矿TiO₂的制备及光催化性能研究［J］.化学研究与应用，2020，32（10）：1874-1883.
	LIN Wenli， ZOU Yunling， YAN Gao，et al.Synthesis and photocatalytic activity of N-doped brookite TiO₂ ［J］.Chemical Research and Application，2020，32（10）：1874-1883.
10	刘晓凤，曹雪娟，何丽红，等.N掺杂浓度对TiO₂光催化活性第一性原理研究［J］.化工新型材料，2015，43（4）：219-222.
	LIU Xiaofeng， CAO Xuejuan， HE Lihong，et al.First principles study on photocatalysic activity of anatase TiO₂ doped with different concentrations of N［J］.New Chemical Materials，2015，43（4）：219-222.
11	LIAO Xin， PU Yong， ZHU Dachuan.Synergistic effect of co⁃doping of nano⁃sized ZnO and Nb₂O₅ on the enhanced nonlinear coefficient of TiO₂ varistor with low breakdown voltage［J］.Journal of Alloys and Compounds，2021，886.Doi：10.1016/j.jallcom.2021 . doi: 10.1016/j.jallcom.2021
	161170. doi: 10.1016/j.jallcom.2021
12	张兰，谭皓蕾，马会中，等.镍、碳共掺杂纳米二氧化钛薄膜的制备与光催化性能研究［J］.无机盐工业，2021，53（4）：107-111.
	ZHANG Lan， TAN Haolei， MA Huizhong，et al.Study on preparation and photocatalytic performance of nano-TiO₂ films co⁃doped with nickel and carbon［J］.Inorganic Chemicals Industry，2021，53（4）：107-111.
13	李亚，丁敏娟，李蓉，等.黏土基二氧化钛水热制备及其光催化性能研究［J］.无机盐工业，2018，50（12）：75-78，82.
	LI Ya， DING Minjuan， LI Rong，et al.Hydrothermal preparation of clay⁃based TiO₂ and photocatalytic property thereof［J］.Inorganic Chemicals Industry，2018，50（12）：75-78，82.
14	彭丽萍，夏正才，杨昌权.金属和非金属共掺杂锐钛矿相TiO₂的第一性原理计算［J］.物理学报，2012，61（12）：452-459.
	PENG Liping， XIA Zhengcai， YANG Changquan.First⁃principles calculation of matal and nonmetal codoped anantase TiO₂ ［J］.Acta Physica Sinica，2012，61（12）：452-459.
15	林雪玲，潘凤春，陈焕铭.N掺杂金红石TiO₂光学性质的第一性原理研究［J］.山东大学学报：理学版，2016，51（1）：20-26.
	LIN Xueling， PAN Fengchun， CHEN Huanming.The optical properties of N doped rutitle TiO₂：First⁃principles calculations［J］.Journal of Shandong University：Natural Science，2016，51（1）：20-26.
16	杨志怀，张云鹏，康翠萍，等.Co-Cr共掺杂金红石型TiO₂电子结构和光学性质的第一性原理研究［J］.光子学报，2014，43（8）：150-158.
	YANG Zhihuai， ZHANG Yunpeng， KANG Cuiping，et al.The first⁃principles study of electronic and optical properties of Co-Cr co⁃doped rutile TiO₂ ［J］.Acta Photonica Sinica，2014，43（8）：150- 158.
17	ASAHI R， MORIKAWA T， OHWAKI T，et al.Visible⁃light photocatalysis in nitrogen⁃doped titanium oxides［J］.Science，2001，293（5528）：269-271.
18	YAN Xiaodong， LI Yong， XIA Ting.Black titanium dioxide nanomaterials in photocatalysis［J］.International Journal of Photoenergy，2017，2017.Doi：10.1155/2017/8529851 . doi: 10.1155/2017/8529851
19	赵宗彦，柳清菊，朱忠其，等.S掺杂对锐钛矿相TiO₂电子结构与光催化性能的影响［J］.物理学报，2008，57（6）：3760-3768.
	ZHAO Zongyan， LIU Qingju， ZHU Zhongqi，et al.Effects of S doping on electronic structures and photocatalytic properties of anatase TiO₂ ［J］.Acta Physica Sinica，2008，57（6）：3760-3768.
20	董明慧，王学文，苑光明，等.Au-X（X=F，Cl，Br，I）共掺杂锐钛矿TiO₂的可见光吸收研究［J］.化工新型材料，2020，48（11）：142-146.
	DONG Minghui， WANG Xuewen， YUAN Guangming，et al.Study on visible light absorption of Au-X（X=F，Cl，Br，I）co-doped anatase TiO₂ ［J］.New Chemical Materials，2020，48（11）：142-146.
21	LIU Yanan， ZOU Xuhui， LI Lifen，et al.Engineering of anatase/rutile TiO₂ heterophase junction viain situ phase transformation for enhanced photocatalytic hydrogen evolution［J］.Journal of Co⁃ lloid and Interface Science，2021，599：795-804.
22	CHEN Xiangyan， PENG Xin， JIANG Longbo，et al.Photocatalytic removal of antibiotics by MOF-derived Ti³⁺-and oxygen vacancy⁃ doi: 10.1016/j.cej.2021
	doped anatase/rutile TiO 2 distributed in a carbon matrix［J］.Che⁃ doi: 10.1016/j.cej.2021
	mical Engineering Journal，2022，427.Doi：10.1016/j.cej.2021 . doi: 10.1016/j.cej.2021
	130945. doi: 10.1016/j.cej.2021
23	非胜霄，冯庆，陈杨，等.N/Rh共掺杂金红石TiO₂表面对CO气体光学气敏传感特性的影响［J］.中国激光，2019，46（11）：214-221.
	FEI Shengxiao， FENG Qing， CHEN Yang，et al.Effect of surface oxidation on optical CO gas⁃sensing characteristics of N/Rh-codoped rutile TiO₂ ［J］.Chinese Journal of Lasers，2019，46（11）：214-221.
24	BAUR W H， KHAN A A.Ritile⁃type compounds.IV.SiO₂，GeO₂ and a comparison with other rutile-type structures［J］.Acta Crystallographica，1971，B27：2133-2139.
25	周诗文，彭平，陈文钦，等.Ce和O空位共掺杂TiO₂的电子结构与光学性质［J］.物理学报，2019，68（3）：222-231.
	ZHOU Shiwen， PENG Ping， CHEN Wenqin，et al.Electronic structures and optical properties of Ce-doped anatase TiO₂ with oxygen vacancy［J］.Acta Physica Sinica，2019，68（3）：222-231.
26	SEGALL M D， LINDAN P J D， PROBERT M J，et al.First⁃prin⁃
	ciples simulation：Ideas，illustrations and the CASTEP code［J］.
	Journal of Physics：Condensed Matter，2002，14（11）：2717-2744.
27	CAPP S C， SAWTELL D A G， BANKS C E，et al.The effect of TiO₂ coatings on the formation of ozone and nitrogen oxides in non-thermal atmospheric pressure plasma［J］.Journal of Environmental Chemical Engineering，2021，9（5）.Doi： 10.1016/j.jece. 2021.106046 . doi: 10.1016/j.jece. 2021.106046
28	方祥，谢泉.N-Mo-W共掺杂金红石相TiO₂的第一性原理研究［J］.原子与分子物理学报，2019，36（4）：696-701.
	FANG Xiang， XIE Quan.First⁃principles study of N-Mo-W co⁃doped rutile TiO₂ ［J］.Journal of Atomic and Molecular Physics，2019，36（4）：696-701.
29	李东翔，李瑞琴，覃信茂，等.第一性原理计算C掺杂金红石型TiO₂的磁性和光学性质［J］.原子与分子物理学报，2017，34（6）：1155-1161.
	LI Dongxiang， LI Ruiqin， QIN Xinmao，et al.First⁃principles calculations for the magnetisms and optical properties of C-doped rutile TiO₂ ［J］.Journal of Atomic and Molecular Physics，2017，34（6）：1155-1161.
30	KANG Xiaolan， LIU Sihang， DAI Zideng，et al.Titanium dioxide：From engineering to applications［J］.Catalysts，2019，9（2）：191-223
31	张菊花，冯庆，朱洪强，等.N-Cu共掺杂金红石相TiO₂光催化剂的第一性原理研究［J］.中国激光，2015，42（6）：200- 208.
	ZHANG Juhua， FENG Qing， ZHU Hongqiang，et al.First⁃principles study on rutile TiO₂ photocatalyst co⁃doped with N and Cu［J］.Chinese Journal of Lasers，2015，42（6）：200-208.
32	闫宇星，汪帆，张珏璇，等.空位缺陷对ZnNb₂O₆光电特性影响的第一性原理研究［J］.无机材料学报，2021，36（3）：269-276.
	YAN Yuxing， WANG Fan， ZHANG Juexuan，et al.First principles study of electronic structure and optical properties of ZnNb₂O₆ with vacancy defects［J］.Journal of Inorganic Materials，2021，36（3）：269-276.
33	方祥，马家君，谢泉，等.Al-N共掺杂金红石相TiO₂的第一性原理研究［J］.原子与分子物理学报，2018，35（6）：1015-1019.
	FANG Xiang， MA Jiajun， XIE Quan，et al.First⁃principles study on rutile TiO₂ co⁃doped with aluminum and nitrogen［J］.Journal of Atomic and Molecular Physics，2018，35（6）：1015-1019.
34	林龙，陈瑞欣，黄敬涛，等.Fe、La掺杂LiNbO₃电子结构和光学性质的第一性原理［J］.中国有色金属学报，2020，30（10）：2369-2378.
	LIN Long， CHEN Ruixin， HUANG Jingtao，et al.First-principles of electronic structures and optical properties of Fe and La doped LiNbO₃ ［J］.The Chinese Journal of Nonferrous Metals，2020，30（10）：2369-2378.
35	王冠宇，郭卫杰，刘迪，等.非金属（C、N、S、P）掺杂对锐钛矿TiO₂性质影响的第一性原理研究［J］.矿业科学学报，2020，5（5）：584-591.
	WANG Guanyu， GUO Weijie， LIU Di，et al.First⁃principles study of properties nonmetals（C，N，S，P） doped anatase TiO₂ ［J］.Journal of Mining Science and Technology，2020，5（5）：584-591.

[1]	叶谢维伊,郑志平,匡勤. 二维ZIF-L衍生的叶片状Fe-NC材料的制备及其氧还原催化性能研究[J]. 无机盐工业, 2021, 53(6): 1-7.
[2]	杜淼,马志远,姬长建,王磊. 氮掺杂碳纳米材料在氧还原反应催化剂中的研究进展[J]. 无机盐工业, 2021, 53(6): 72-78.
[3]	李璐,高长青,刘怡琳,王雪,李建生,刘炳光. 氮杂化介孔碳制备方法及在超级电容器中的应用进展[J]. 无机盐工业, 2021, 53(3): 24-29.
[4]	刘冠良，刘鹏，余林，孙明，程高. 氮掺杂科琴黑碳材料的制备及电催化氧还原性能研究[J]. 无机盐工业, 2019, 51(10): 84-88.
[5]	黄晶晶, 杜军, 余雁斌, 李不悔, 肖昭强, 傅华强, 吴其, 刘娇, 郑典模, 邹建国. 氮掺杂对二氧化钛光催化性能的影响[J]. 无机盐工业, 2013, 45(9): 58-.

首页

全国无机盐信息中心

中国化工学会

无机酸碱盐专业委员会