Cu-Cr共掺杂金红石相TiO2的电子特性和光谱红移研究

"铜铬双过渡金属共掺金红石相TiO2的电子特性及引起的光谱红移效应" 在光催化领域，TiO2因其优异的稳定性、无毒性以及高效的光催化活性而受到广泛关注。然而，其主要的限制在于仅能吸收紫外线，对可见光的利用率较低，这限制了其在太阳能转换和环境污染治理等领域的应用。针对这一问题，科研人员选择了第一过渡金属Cu和Cr共同掺杂到金红石相TiO2中，以期提高其对可见光的响应。 金红石相TiO2是一种宽禁带半导体，其禁带宽度通常约为3.0 eV，这意味着它只能吸收能量高于3.0 eV（对应于紫外光）的光子。Cu和Cr的共掺杂改变了这一情况。通过基于密度泛函理论（DFT）的平面波超软赝势方法进行计算，研究发现Cu-Cr共掺杂在TiO2的禁带中引入了5条新的杂质能级。这些杂质能级改变了电子结构，使得电子更容易从价带跃迁到导带，从而增加了对可见光的吸收。 具体来说，一条位于价带顶部的杂质能级主要由Cu的3d轨道贡献，而费米面附近的4条亚稳态杂质能级则是由Cr的3d轨道和氧原子的2p轨道的相互作用产生的。这种掺杂方式使得电子跃迁能降低，减少了电子从价带跃迁至导带的能量需求，进而提高了光催化活性，使得TiO2能够在更低能量的光激发下进行光催化反应，扩大了其对可见光的利用范围。 除了改变电子特性，Cu-Cr共掺杂还对TiO2的光学性质产生了显著影响。研究显示，共掺杂导致了光谱的红移，意味着材料的吸收光谱向长波长方向移动，即向可见光区域扩展。同时，TiO2的反射率也有所增加，这表明其对可见光的反射能力增强。相比于单掺杂，Cu-Cr共掺杂的TiO2在可见光区的吸收和反射性能更加稳定，这有助于提升其在光催化过程中的效率。 Cu-Cr共掺杂金红石相TiO2的策略有效地提升了材料的光催化活性，拓宽了其对可见光的响应，同时改善了光学性质。这一研究为设计和制备高性能的光催化剂提供了新的思路，有望在环保、能源等领域得到广泛应用。