N-Cu共掺杂TiO2的光催化性能提升：第一性原理研究

"N-Cu共掺杂金红石相TiO2的研究，通过第一性原理的平面波超软赝势方法分析其电子结构和光学性质，以提高TiO2的光催化和光电转换性能。N与Cu的共掺杂导致在禁带中形成新的杂质能级，有助于光生电子-空穴对的有效分离，增强光催化效果，并使光吸收曲线在可见光区发生显著红移，增加反射率。" 本文深入探讨了N-Cu共掺杂金红石相TiO2的光催化性能提升机制。TiO2作为一种广泛使用的无机金属氧化物半导体材料，其光催化和光电转换性能的改进是科研领域的焦点。研究人员利用密度泛函理论下的第一性原理计算，详细研究了单N掺杂、单Cu掺杂以及N-Cu共掺杂对金红石相TiO2电子结构和光学性质的影响。 研究表明，当N和Cu同时掺杂到TiO2中时，N的2p电子与Cu的3d电子发生协同作用，产生新的杂质能级。这些新能级分别位于稳态和亚稳态，使得电子跃迁能量降低，从而更有利于光激发产生的电子-空穴对的有效分离，这对提高TiO2的光催化效率至关重要。有效的电子-空穴分离可以减少复合，增加反应活性，从而增强光催化活性。 此外，N-Cu共掺杂还引起了TiO2光吸收系数曲线在可见光区域的显著红移，这意味着材料对可见光的吸收能力增强。这不仅扩大了光响应范围，还能提高TiO2在太阳光谱中的利用效率。同时，共掺杂也导致了材料反射率的增大，进一步影响其光学性质。 N-Cu共掺杂策略为优化金红石相TiO2的光催化性能提供了新的思路。通过改变掺杂比例和控制掺杂过程，可能能够设计出具有更优异性能的TiO2基光催化剂，这对于环境净化、能源转化等领域的应用具有重要意义。这一研究结果为理解和设计新型光催化剂提供了理论依据，并为实际应用提供了指导。