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1、TiOTiO2 2金金红石石结构构材料物理1101-王亚光能带结构能带结构四四三三基本参数基本参数缺陷类型缺陷类型性质应用性质应用一一二二 基本基本结结构构晶系：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 金红石结构晶胞结结构缺陷构缺陷u分类：非化学计量化合物共有分类：非化学计量化合物共有4 4种类型种类型1 1、阴离子空位、阴离子空位( (MaXb-y) )型，型， 如如TiO2 TiO2-x 2 2、阳
2、离子填隙、阳离子填隙( (MMa+ya+yX Xb b) )型，型，如如ZnO ZnO Zn1+xO 3 3、阴离子填隙、阴离子填隙( (MaXb+ y) )型，型，如如UO2 UO2+x4 4、阳离子空位、阳离子空位( (MayXb) )型，型，如如FeO Fe1-xO概念：u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。u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：非化学计量缺陷缺陷类型：非化学计量缺陷TiOTiO2
3、2的缺陷反应方程式的缺陷反应方程式uTiO2会产生阴离子空位型缺陷，分子式可写为TiO2-xu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。 u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，则影响因素影响因素u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
4、高而降低。u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 。缺陷特点缺陷特点1 1）非化学计量化合物产生及缺陷浓度与气氛性质、温度、）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；压力有关；2 2）可以看作是高价化合物与低价化合物的固溶体；）可以看作是高价化合物与低价化合物的固溶体；例如：例如：TiOTiO2-x2-x 从化学计量的角度看，晶体中氧空位，而从化从化学计量的角度看，晶体中氧空位，而从化学学的的观点来看，可认为是观点来看，可认为是Ti Ti2 2OO3 3在在TiOTiO2 2 中的固溶体。中的固溶体。3 3）非化学计量化合
5、物都是半导体。）非化学计量化合物都是半导体。 半导体材料分为两大类半导体材料分为两大类：一是：一是掺杂半导体掺杂半导体，如，如Si Si、GeGe中掺杂中掺杂B B、P P，Si Si中掺中掺P P为为n n型半导体；二是型半导体；二是非化学计量非化学计量化合物半导体化合物半导体，又分为金属离子过剩（，又分为金属离子过剩（n n型）型）【包括包括负离负离子缺位和间隙正离子子缺位和间隙正离子】和负离子过剩（和负离子过剩（p p型）型）【正离正离子缺子缺位和间隙负离子位和间隙负离子】图4 TiO2的能带结构和态密度能能带结带结构构u其费米能级被选定在了其费米能级被选定在了 能量零位，计算得到的能量
6、零位，计算得到的 最小带隙为最小带隙为1.8881.888。u这一数值远小于理论值这一数值远小于理论值3.23.2，这是由，这是由于软件本身以及算法的缘故造成，但与文于软件本身以及算法的缘故造成，但与文献值（献值（2.102.10）比较两者十分接近。）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）第一布里渊区应应用用uTiOTiO2 2是一种新型半导体材料，具有众多的优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，成为和电
7、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。目前国际学术界关注的一个重点。作作为光催化材料光催化材料u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。u光催化机理：光催化光催化剂剂的的应应用用杀菌杀菌自洁净自洁净除臭除臭净化净化空气空气防紫外防紫外特点特点TiO2TiO2光触媒光触媒具有吸收紫具有吸收紫的特性的特性可将甲醛、苯，氮、可将甲醛、苯，氮、硫等氧化物及氨等氧硫等氧化物及氨等氧化，还原成为无害物化，还原成为无害物质。质。杀死，并分解为杀死，并分解为CO2CO2和和H2OH2O其超亲水性其超亲水性
8、和强氧化性和强氧化性使得表面不使得表面不易附着污染易附着污染物物能强力分解甲醛、乙醛、甲能强力分解甲醛、乙醛、甲酸、苯酚、尼古丁等空气中酸、苯酚、尼古丁等空气中异臭味物质异臭味物质光催化光催化剂的的优点和不足点和不足u能能耗耗低低，反反应应条条件件温温和和，在在紫紫外外光光和和太太阳阳光光照射下就可以发生反应照射下就可以发生反应u降解没有选择性，几乎能降解任何有机物。降解没有选择性，几乎能降解任何有机物。u廉价，无毒廉价，无毒uTiOTiO2 2光催化反应催化剂易分离和重复使用光催化反应催化剂易分离和重复使用u光催化效率低光催化效率低 u只能吸收紫外光只能吸收紫外光优势优势不足不足光催化光催化剂的改的改进uTiO2TiO2 半导体由于禁带宽度比较宽只半导体由于禁带宽度比较宽只能吸收紫外光，可通过掺杂改变其能吸收紫外光，可通过掺杂改变其性能性能！
