室温溶胶-凝胶法制备Fe3+掺杂TiO2的电子结构与光学优化

本研究论文深入探讨了掺杂Fe~(3+)的二氧化钛(TiO_2)的电子结构及其光学特性，以室温溶胶凝胶法制备不同Fe~(3+)掺杂浓度的TiO_2，并通过X射线衍射(XRD)和紫外-可见分光光度计(UV-Vis)等技术进行表征。研究集中在探究Fe~(3+)掺杂对TiO_2晶体结构和光催化性能的影响。 XRD结果显示，采用溶胶-凝胶法制备的TiO_2具有较高的结晶度。在400℃退火条件下，主要形成锐钛矿型晶体；随着温度升高至500℃，出现了微弱的金红石相；而在700℃时，TiO_2完全转变为金红石相。值得注意的是，Fe~(3+)掺杂对于晶型转化有一定程度的抑制作用，表明掺杂程度可能影响TiO_2的相变行为。 UV-Vis光谱分析揭示了Fe~(3+)掺杂对TiO_2光学性质的重要影响。Fe~(3+)的掺入导致TiO_2的吸收边向长波长方向移动，即红移，这意味着更高的光吸收效率。这一现象归因于Fe~(3+)在TiO_2禁带中引入了杂质能级，这些杂质能级主要由Fe~(3+)的3d轨道电子形成。这些杂质能级的存在降低了电子跃迁所需的能量，从而促进了光的吸收，进而提升了TiO_2的光催化性能。 此外，论文还利用了密度泛函理论(DFT)的第一性原理平面波超软赝势方法，借助VASP软件包进行了能带结构和态密度的计算，以深入理解Fe~(3+)掺杂对TiO_2电子结构的具体影响。这一理论计算与实验结果相互印证，为解释Fe~(3+)掺杂TiO_2的物理性质提供了强有力的支持。 该研究不仅提供了对Fe~(3+)掺杂TiO_2的微观结构与光学性质的实验证据，还通过理论计算深化了对其光催化潜力的理解，对于优化TiO_2基光催化剂的设计和性能提升具有重要的科学价值。