同步辐射研究可见光响应非金属掺杂二氧化钛的局域结构和电子结构

非金属掺杂对TiO2的可见光催化活性有显著影响。目前非金属元素在TiO2晶格中占据的位置及其可见光响应机制尚无定论。揭示非金属掺杂TiO2的局域结构和电子结构与可见光活性的关系，对于构建高效光催化体系具有重要的理论和实际意义。申请者前期研究发现不同反应条件制备的掺杂F、C、P、S、Si、N等非金属元素TiO2的可见光活性相差很大。因此本课题提出利用软硬X-射线吸收精细结构（XAFS)研究不同条件制备掺杂TiO2的微观结构（局域结构和电子结构）的差异。掌握非金属元素、O和Ti的局域结构和电子结构，以及非金属原子在TiO2晶格中占据的位置。建立非金属掺杂TiO2的微观结构模型，为掌握其可见光响应机制提供科学依据。利用密度泛函理论计算非金属掺杂对TiO2能带结构的影响，阐明非金属掺杂TiO2的可见光响应机制等基础科学问题。为实现从原子和电子水平上操控TiO2的可见光性能提供理论基础。

非金属掺杂对TiO2的可见光催化活性有显著影响。目前非金属元素在TiO2晶格中占据的位置及其可见光响应机制尚无定论。揭示非金属掺杂TiO2的局域结构和电子结构与可见光活性的关系，对于构建高效光催化体系具有重要的理论和实际意义。申请者系统研究了P、S、Si、N、F、C等非金属元素掺杂对TiO2的晶型、形貌、尺寸、光学性质以及可见光催化活性相差的影响。利用软硬X射线吸收谱研究不同条件制备的掺杂TiO2局域结构和电子结构的差异。通过测定Ti的K边、L边，O的K边，C的K边，S的K边等，考察TiO2局域结构和电子结构的变化情况，推测非金属原子在TiO2晶格中占据的位置。结合密度泛函理论计算的非金属掺杂TiO2的微观结构模型，推测P、S、Si、N、F、C等非金属元素掺杂对TiO2电子能带结构的影响。研究结果表明：（1）P、S、C、F掺杂有利于获得锐钛相TiO2。通过改变掺杂量，可以调控金红石相和锐钛相的比例。P、S、Si、N、F、C的掺杂均可减小TiO2的带隙能。（2）P、S掺杂导致第一壳层Ti-O键变短，第二壳层Ti-Ti键变长；Si掺杂引起第一壳层Ti-O键变短。带隙能变窄的原因可能是掺杂元素在价带之上形成了掺杂能级。（3）C掺杂使锐钛型TiO2的第一壳层Ti-O键变长，第二壳层Ti-Ti键变长。C不仅替代了TiO2晶格中Ti的位置，而且形成了一些新的间隙位C物种，还有氧空位的存在，致使TiO2的价带上形成新的电子占据态，在导带下形成高密度空态，费米能级上移，更易于产生电子，有利于光催化反应的进行。（4）首次发现F掺杂使TiO2的光吸收波长红移，带隙能变窄。原因是掺氟后在TiO2的费米能级和价带之间引入了大量的电子占据态。本研究初步阐明非金属掺杂TiO2的可见光响应机制等基础科学问题，为实现从原子和电子水平上操控TiO2的可见光性能提供理论基础。. 项目取得的主要成果有：目前在国内外期刊上发表论文10篇，其中SCI收录2篇，其他论文正在整理投稿中。培养毕业硕士研究生6名。