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基于第一性原理计算的掺镱氮二氧化钛缺陷分析

DOI：10.1007/s00214-018-2409-7 期刊：Theoretical Chemistry Accounts 出版年份：2019 更新时间：2025-09-23 15:23:52
摘要： 研究了锐钛矿型TiO?网络中的不同缺陷，以提高该材料在光电化学应用中的利用率。通过第一性原理计算，研究了具有不同掺杂浓度及Yb、N掺杂剂氧化态的缺陷诱导TiO?模型。建立了缺氧体系模型，阐明了TiO?体相中氧空位与Yb、N掺杂剂的相互作用。Yb的4f态与O的2p态耦合，降低了带隙并将TiO?的吸收边移向可见光区。增加Yb掺杂浓度可减小带隙，其中2.08%的Yb掺杂浓度被认为是最佳掺杂量。通过比较单掺杂与共掺杂样品的能带结构发现，Yb-N共掺杂在降低带隙的同时在禁带中产生了孤立态。研究还考察了Yb和/或N掺杂TiO?模型的电荷补偿与非补偿体系。Yb-N共掺杂TiO?中的电荷补偿稳定了体系，在不产生孤立态的情况下降低了带隙并提供了更宽的吸收带。Ti????Yb?N?O????（x=2，y=1）模型在结构改动最小的情况下获得了适合光电化学应用的能带结构，这解释了实验中观察到的Yb-N共掺杂在TiO?中的协同效应。
作者： Matiullah Khan，Yi Zeng，Lan Zhenghua
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研究概述 实验方案 设备清单

研究目的

为研究锐钛矿相TiO?中不同缺陷以提升其光催化应用性能，具体通过Yb和N掺杂的第一性原理计算阐明缺陷相互作用、带隙缩减及协同效应。

研究成果

钇掺杂可缩小二氧化钛的带隙并将吸收光谱移至可见光区，其中2.08%的钇掺杂浓度为最佳值。钇氮共掺杂进一步降低带隙并增强可见光吸收，电荷补偿作用稳定了体系结构并避免了孤立态的产生。Ti16?xYbxNyO31?y（x=2，y=1）模型被证实最适合光电极应用，该模型解释了实验中观察到的协同效应。

研究不足

基于GGA的计算由于DFT的局限性会低估带隙；虽然采用了剪刀近似法但可能无法完全修正。本研究属于计算和理论性质，缺乏实验验证；仅针对特定掺杂剂和浓度进行研究。

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