Inorganic Chemicals Industry >
Theoretical study on effect of nitrogen doping on photoelectric properties of rutile TiO2
Received date: 2021-09-07
Online published: 2022-06-22
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 TiO2-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 TiO2-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 TiO2-x N x system were better.
Key words： N-doping; rutile TiO2; first?principles; optical properties
Yan HOU , Chengjuan GAO , Xizhe WU , Xuechi ZI , Lu XIE , Haizheng YANG , Yuxing YAN . Theoretical study on effect of nitrogen doping on photoelectric properties of rutile TiO2[J]. Inorganic Chemicals Industry, 2022 , 54(6) : 90 -95 . DOI: 10.19964/j.issn.1006-4990.2021-0473
| 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? |
| 4 | 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? |
| 6 | chemical water splitting by a chemically modified n-TiO 2［J］.Sci? |
| 6 | 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. |
| 9 | 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. |
| 10 | 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 . |
| 11 | 161170. |
| 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. |
| 12 | 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. |
| 13 | 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. |
| 14 | 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. |
| 15 | 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. |
| 16 | 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 . |
| 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. |
| 19 | 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. |
| 20 | 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? |
| 22 | doped anatase/rutile TiO 2 distributed in a carbon matrix［J］.Che? |
| 22 | mical Engineering Journal，2022，427.Doi：10.1016/j.cej.2021 . |
| 22 | 130945. |
| 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. |
| 23 | 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. |
| 25 | 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? |
| 26 | ciples simulation：Ideas，illustrations and the CASTEP code［J］. |
| 26 | 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 . |
| 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. |
| 28 | 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. |
| 29 | 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. |
| 31 | 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. |
| 32 | 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. |
| 33 | 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. |
| 34 | 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. |
| 35 | 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. |
/
| 〈 |
|
〉 |