二維（2D）材料因?yàn)榫哂袑訝罹w結(jié)構(gòu)、極端量子限制效應(yīng)和獨(dú)特物理化學(xué)性質(zhì),受到科研工作者的廣泛關(guān)注。目前,已經(jīng)探索出二維材料在光催化、光儲能、自旋電子學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用。g-C₃N₄、第Ⅲ主族硫?qū)倩衔镆约笆╣raphene）都是典型的二維材料,本論文利用第一性原理,以g-C₃N₄現(xiàn)有的研究背景為基礎(chǔ),構(gòu)造相關(guān)二維材料異質(zhì)結(jié),探索材料的電子輸運(yùn)、光學(xué)響應(yīng)和光催化性質(zhì)。本文利用不同KNbO₃表面與g-C₃N₄構(gòu)造異質(zhì)結(jié)并分析復(fù)合材料的能帶結(jié)構(gòu)和電子轉(zhuǎn)移過程,復(fù)合后材料的光吸收出現(xiàn)明顯紅移,吸收帶邊向可見光區(qū)域移動,其中KNbO₃的KO表面與g-C₃N₄構(gòu)成的KO/g-CN異質(zhì)結(jié)是明顯的Ⅱ型異質(zhì)結(jié),使得光生的電子和空穴有效分離,并且系統(tǒng)地對文獻(xiàn)報(bào)道的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和KNbO₃/g-C₃N₄復(fù)合材料的光催化過程做出... 

【文章來源】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)黑龍江省 211工程院校 985工程院校

【文章頁數(shù)】：59 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

（a）g-C3N4的三嗪（t-g-C3N4）和（b）三-s-均三嗪（h-g-C3N4）結(jié)構(gòu)圖中藍(lán)色、灰色的球分別代表N原子和C原子，且黑色框線內(nèi)為單胞

哈爾濱工業(yè)大學(xué)理學(xué)碩士學(xué)位論文-10-模型進(jìn)行光學(xué)和電學(xué)分析，闡明其光催化的具體過程。最后，討論外加電場和應(yīng)力對材料性質(zhì)的影響。2.2KNbO3/g-C3N4模型的建立圖2-1優(yōu)化后的（a）t-g-C3N4結(jié)構(gòu)和6種KNbO3/g-C3N4模型俯視圖，記為（b）1-K，（c）2-K，（d）1-O，（e）2-O，（f）1-NbO，（g）2-NbO其中，紫色、淺藍(lán)色和紅色原子分別代表K原子、Nb原子和O原子根據(jù)閱讀文獻(xiàn)和已有的建模經(jīng)驗(yàn)，對KNbO3/g-C3N4進(jìn)行模型搭建。本文選用的KNbO3為立方相，空間點(diǎn)群為Pm-3m，晶格常數(shù)為a=b=c=4.000，α=β=γ=90°。為了實(shí)現(xiàn)晶格匹配，選擇的g-C3N4為基于s-三嗪的六方結(jié)構(gòu)[38]，即t-g-C3N4，如圖4-1（a），晶格常數(shù)為a=b=4.742，c=6.720，與實(shí)驗(yàn)值a=b=4.774[2]基本一致。由于KNbO3（100）表面可以分成NbO2端面或KO端面，因此必須考慮不同KNbO3表面對納米復(fù)合材料性質(zhì)的影響。其中KNbO3表面共計(jì)5層原子，底部兩層原子固定，將32的單層g-C3N4分別與22的KNbO3(100)表面（NbO2表面和KO表面）復(fù)合，初始層間距離為3.12，與BPQD/GCN[39]、CeO2/g-C3N4[40]等模型類似，再沿z方向添加15的真空層來避免不同材料的相鄰層間相互作用。在不同位置上建立了六個不同的KNbO3/g-C3N4模型，模型結(jié)構(gòu)如圖2-1(b)-(f)所示，藍(lán)色、灰色、紫色、青色和紅色球分辨表示N、C、K、Nb和O原子。優(yōu)化過程中采用GGA-WC交換密度泛函，使用的贗勢是超軟贗勢，平面波截?cái)嗄転?00eV，布里淵區(qū)采用4×4×1大小的k點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)，能量和力分別滿足的收斂標(biāo)準(zhǔn)為1.0×10-6eV和0.04eV/。在異質(zhì)結(jié)體系中，可以用形成能反映復(fù)合材料的復(fù)合難易程度以及復(fù)合后的穩(wěn)定程度。形成能可定義為復(fù)合材料總能與完美體系總能之差，形成能的值

哈爾濱工業(yè)大學(xué)理學(xué)碩士學(xué)位論文-13-原子附近，C原子和O原子均表現(xiàn)為只得電子；NbO2/g-CN模型中電荷轉(zhuǎn)移范圍較廣，N原子既得到來自Nb原子和O原子的電子，同時又失電子，而Nb原子只失電子，并且失去的電子向O原子轉(zhuǎn)移，與KO/g-CN不同，這里的氧原子同時得電子與失電子，但得到的電子比失去的電子多得多，C原子依舊表現(xiàn)為只得電子，這與文獻(xiàn)[45]中g(shù)-C3N4性質(zhì)完全吻合，充分證明所搭建模型的真實(shí)性和可信性。圖2-3（a）KO/g-CN和（b）NbO2/g-CN的三維（3D）差分電荷密度黃色和綠色區(qū)域表示電荷耗盡和累積，等值分別為0.001和0.15eV·-3作為半導(dǎo)體光催化劑，其電子結(jié)構(gòu)是決定其光催化活性的關(guān)鍵因素。為了研究KNbO3/g-C3N4異質(zhì)結(jié)的光催化性能，g-C3N4單層、兩種KNbO3表面、NbO2/g-CN和KO/g-CN復(fù)合材料在可見光區(qū)的吸收光譜如圖2-4（a）所示。通過圖2-4中計(jì)算結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)，g-C3N4單層與KNbO3表面復(fù)合之后，無論是在光吸收范圍還是光吸收強(qiáng)度上，復(fù)合材料都表現(xiàn)出更優(yōu)良的性能。在300nm處，兩種復(fù)合材料光吸收明顯減小，其中KO/g-CN復(fù)合材料的光吸收更是接近于0。兩種復(fù)合材料均在500nm附近達(dá)到峰值，NbO2/g-CN的吸收峰值幾乎是KO/g-CN的兩倍�？紤]到晶體結(jié)構(gòu)的各向異性，又在（100）、（010）和（001）三個極化方向上分別計(jì)算KO/g-CN和NbO2/g-CN異質(zhì)結(jié)構(gòu)的光吸收性能，得到的吸收光譜如圖2-4（b）、（c）所示。KO/g-CN和NbO2/g-CN均在（001）方向上表現(xiàn)出良好的光學(xué)響應(yīng)，但NbO2/g-CN在（100）方向上的吸收峰值約是（001）方向的1.4倍。這一結(jié)果表明，在實(shí)驗(yàn)制備KNbO3/g-C3N4復(fù)合材料的過程中，可以通過調(diào)節(jié)材料極化方向的方法達(dá)到調(diào)節(jié)復(fù)合異質(zhì)結(jié)光吸收能力的目的�？偟膩碚f，KNbO3可以有效擴(kuò)大g-C3N4在可見光區(qū)域的吸?


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