本文關(guān)鍵詞：雙陰離子共摻雜鈮酸鈉光催化活性的第一性原理研究

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【摘要】：越來(lái)越嚴(yán)重的環(huán)境污染和能源危機(jī)問(wèn)題催促我們?nèi)グl(fā)現(xiàn)沒(méi)有污染,且可循環(huán)利用的新能源。氫能作為替代化石燃料能源的候選者而備受關(guān)注,氫能利用的關(guān)鍵之一是尋求一種安全和無(wú)污染的方法來(lái)產(chǎn)生氫。尋找可見(jiàn)光催化水解制氫的催化劑是非常關(guān)注的問(wèn)題,而基于半導(dǎo)體光催化劑的光照裂解水制氫是一種十分有用的途徑。層狀鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的光催化劑NaNbO_3被廣泛的報(bào)道能在紫外光區(qū)域分解水為氧氣和氫氣。然而,NaNbO_3的帶隙太寬(3.29 eV),只能吸收僅占太陽(yáng)光4%的紫外光,催化效率較低。一般而言,為了有效地利用占太陽(yáng)光43%的可見(jiàn)光,提高光催化效率,最理想的半導(dǎo)體催化劑的帶隙為2.0 eV,且價(jià)帶頂位置必須低于水的氧化勢(shì)(1.23 V),同時(shí)導(dǎo)帶底位置必須高于氫離子的還原勢(shì)(0 V)。因此,為了提高NaNbO_3的可見(jiàn)光響應(yīng)(390-750 nm),需要調(diào)整其能帶結(jié)構(gòu)以滿足可見(jiàn)光催化水解制氫的要求。本文探討了如何通過(guò)摻雜來(lái)減小NaNbO_3的帶隙,從而提高其可能光解水制氫的效率�；诿芏确汉碚摰牡谝恍栽碛�(jì)算,研究了單摻雜(N,P,C,S)和共摻雜(N+N,P+P,N+P,C+S)NaNbO_3體系的電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)。由于價(jià)帶頂能級(jí)的位置比水的氧化能級(jí)低1.39 eV,為減小NaNbO_3帶隙,則需要向上提升其價(jià)帶頂,為此我們選擇了非金屬元素(N,P,C,S)單摻雜,因?yàn)樗鼈兏髯缘膒軌道能量都明顯的高于氧原子的2p軌道能量。單摻雜(N,P,C)NaNbO_3體系在帶隙中引入了十分不利于光催化反應(yīng)的未占據(jù)雜質(zhì)態(tài),這些雜質(zhì)態(tài)會(huì)成為電子-空穴對(duì)的復(fù)合中心,這將會(huì)在很大程度上導(dǎo)致光催化裂解水效率的減小。S摻雜雖然減小了帶隙,增加了可見(jiàn)光的吸收,但是對(duì)可見(jiàn)光的響應(yīng)范圍很有限。共摻雜(N+N,P+P,N+P,C+S)的雙空穴耦合不但引入了合適的帶隙,而且消除了單摻雜引起的電子-空穴對(duì)的復(fù)合中心。缺陷形成能表明,共摻雜相比于各自的單摻雜在能量上更加支持,并且所研究的摻雜體系在貧氧的情況下更加容易合成,并通過(guò)計(jì)算相對(duì)結(jié)合能來(lái)討論共摻雜與單摻雜之間的相對(duì)穩(wěn)定性。通過(guò)計(jì)算出的帶邊位置證明了共摻雜(N+N,C+S)NaNbO_3體系具備了合適的氧化還原勢(shì)帶邊位置。最后,計(jì)算的光學(xué)吸收譜也表明共摻雜(N+N,C+S)的NaNbO_3體系具有高效的可見(jiàn)光響應(yīng)。
【關(guān)鍵詞】：鈮酸鈉光催化劑 雙陰離子共摻雜 光催化活性 第一性原理
【學(xué)位授予單位】：西南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：O643.36
【目錄】：

• 摘要5-6
• Abstract6-8
• 第一章 緒論8-21
• 1.1 光催化的發(fā)展歷史8
• 1.2 光催化原理8-11
• 1.3 光催化改性方法11-18
• 1.3.1 半導(dǎo)體復(fù)合11-12
• 1.3.2 貴金屬沉積12-13
• 1.3.3 染料光敏化13
• 1.3.4 摻雜改性13-18
• 1.4 光催化的應(yīng)用18-19
• 1.4.1 光解水制氫18
• 1.4.2 空氣凈化18
• 1.4.3 廢水處理18-19
• 1.4.4 太陽(yáng)能電池19
• 1.4.5 抗菌作用19
• 1.4.6 防霧和自清潔19
• 1.5 本文的研究?jī)?nèi)容19-21
• 第二章 基礎(chǔ)理論和計(jì)算方法21-33
• 2.1 多粒子體系的薛定諤方程21-22
• 2.2 Born-Oppenheimer近似和Hartree-Fock近似22-24
• 2.2.1 Born-Oppenheimer近似22-23
• 2.2.2 Hartree-Fock近似23-24
• 2.3 密度泛函理論24-27
• 2.3.1 Thomas-Fermi模型24-25
• 2.3.2 Hohenberg-Kohn定理25-26
• 2.3.3 Kohn-Shan方程26-27
• 2.4 交換關(guān)聯(lián)泛函27-29
• 2.4.1 局域密度近似（LDA）28
• 2.4.2 廣義梯度近似（GGA）28-29
• 2.5 平面波基組和贗勢(shì)29-31
• 2.5.1 平面波基組29-30
• 2.5.2 贗勢(shì)30-31
• 2.6 本文所用的計(jì)算軟件包31-33
• 第三章 雙陰離子共摻雜鈮酸鈉光催化活性的第一性原理研究33-50
• 3.1 引言33-34
• 3.2 計(jì)算方法34
• 3.3 結(jié)果與討論34-49
• 3.3.1 純凈NaNbO_3的電子結(jié)構(gòu)34-36
• 3.3.2 氧化還原勢(shì)36-37
• 3.3.3 熱力學(xué)穩(wěn)定性37-42
• 3.3.4 單摻雜42-45
• 3.3.5 共摻雜45-48
• 3.3.6 光學(xué)性質(zhì)48-49
• 3.4 結(jié)論49-50
• 第四章 總結(jié)和展望50-51
• 參考文獻(xiàn)51-55
• 致謝55-56
• 攻讀碩士期間工作情況56

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