金红石结构材物王亚光.ppt

TiO2金红石结构,材料物理1101-王亚光,能带结构,四,三,基本参数,缺陷类型,性质应用,一,二,基本结构,晶系：四方晶系 点群：P42/mmm 晶胞参数：a0=0.459nm； c0=0.296nm 光泽：金刚石光泽 硬度：6 熔点：1850℃ 解理：（110）面解理 比重：4.2-4.3g/cm 3 颜色：红棕色、红色、黄色或 黑色 透明度：透明到不透明,图1 金红石结构晶胞,结构缺陷,分类：非化学计量化合物共有4种类型——1、阴离子空位(MaXb-y)型， 如TiO2 → TiO2-x 2、阳离子填隙((Ma+yXb)型， 如ZnO → Zn1+xO3、阴离子填隙(MaXb+ y)型， 如UO2 → UO2+x4、阳离子空位(Ma–yXb)型，如FeO →Fe1-xO,概念：从近代的晶体结构的理论和实验研究结果表明，具有化学计量比和非化学计量比的化合物都是普遍存在的 更确切地说，非化学计量化合物的存在是更为普遍的现象非化学计量缺陷是指组成上偏离化学中的定比定律所形成的缺陷 ，它是由基质晶体与介质中的某些组分发生交换而产生缺陷类型：非化学计量缺陷,TiO2的缺陷反应方程式,TiO2会产生阴离子空位型缺陷，分子式可写为TiO2-x 产生原因：环境中缺氧，晶格中的氧逸出到大气中，使晶体中出现了氧空位。

缺陷反应方程式应如下：,,等价于,即,根据质量作用定律，平衡时，[e’]=2[ ] ：1）∴TiO2的非化学计量对氧压力敏感，在还原气氛中才能形成TiO2-x烧结时，氧分压不足会导致 升高，得到灰黑色的TiO2-x，而不是金黄色的TiO2 2） 电导率随氧分压升高而降低 3）若PO2不变，则,影响因素,由图2可以看出高温时 与 具 有 良好的 线性关 系 ，即 电导率随温度的升高而呈指数规律增加，反映了缺陷浓度与温度的关系 电导率随氧分压升高而降低图 3为等温条件下金红石的电导率随氧分压变 化的关系，可以看出， 与 呈 线 性 关 系 缺陷特点,1）非化学计量化合物产生及缺陷浓度与气氛性质、温度、压力有关； 2）可以看作是高价化合物与低价化合物的固溶体；例如：TiO2-x 从化学计量的角度看，晶体中氧空位，而从化 学的观点来看，可认为是Ti2O3在TiO2 中的固溶体 3）非化学计量化合物都是半导体半导体材料分为两大类：一是掺杂半导体，如Si、Ge 中掺杂B、P，Si中掺P为n型半导体；二是非化学计量 化合物半导体，又分为金属离子过剩（n型）【包括 负离 子缺位和间隙正离子】和负离子过剩（p型）【正离 子缺 位和间隙负离子】,图4 TiO2的能带结构和态密度,能带结构,其费米能级被选定在了能量零位，计算得到的最小带隙为1.888ｅＶ。

这一数值远小于理论值3.2ｅＶ，这是由于软件本身以及算法的缘故造成，但与文献值（2.10ｅＶ）比较两者十分接近图5 TiO2能带放大图,,第一布里渊区,TiO2(四方晶系),Ti（六方晶系）,,,,,Al（面心立方）,Li（体心立方）,,第一布里渊区,,,,应用,TiO2是一种新型半导体材料，具有众多的优越性能，应用广泛在光催化、太阳能电池和电学器件等领域有重要的应用前景，成为目前国际学术界关注的一个重点作为光催化材料,光催化剂：光 + 催化剂（TiO2）能吸收特定波长的光，使其分子达到激发态，具有十分活泼的性质，可与其他物质进行反应 光催化机理：,,,,,,,,,光催化剂的应用,TiO2光触媒具有吸收紫的特性,可将甲醛、苯，氮、硫等氧化物及氨等氧化，还原成为无害物质杀死，并分解为CO2和H2O,其超亲水性和强氧化性使得表面不易附着污染物,能强力分解甲醛、乙醛、甲酸、苯酚、尼古丁等空气中异臭味物质,光催化剂的优点和不足,能耗低，反应条件温和，在紫外光和太阳光照射下就可以发生反应 降解没有选择性，几乎能降解任何有机物 廉价，无毒 TiO2光催化反应催化剂易分离和重复使用光催化效率低 只能吸收紫外光,优势,不足,光催化剂的改进,TiO2 半导体由于禁带宽度比较宽只能吸收紫外光，可通过掺杂改变其性能,。