半導(dǎo)體基光催化分解水反應(yīng),能夠產(chǎn)生清潔能源氫氣,是利用太陽能的最有效途徑。半導(dǎo)體基光催化分解水主要有三個基本過程:（1）能量大于帶隙的光子激發(fā)產(chǎn)生電子和空穴,（2）電子空穴分離傳輸并遷移到表面,（3）電子空穴分別發(fā)生表面催化反應(yīng)。其中電荷分離傳輸以及表面催化反應(yīng)這兩個過程在光催化分解水中起著重要的作用。鉭氧氮化物（TaON）和鉭氮化物（Ta₃N₅）由于能帶結(jié)構(gòu)合適而被廣泛用于光催化領(lǐng)域的研究,是用于光催化分解水反應(yīng)的很有發(fā)展前景的材料。但是它們?nèi)菀装l(fā)生自氧化,光催化活性較低,并且其電荷傳輸機(jī)理及水氧化過程研究不充分。因此本論文將以TaON和Ta₃N₅為例,研究其光生電荷的分離傳輸以及表面催化的反應(yīng)機(jī)理。本論文主要有以下三部分研究內(nèi)容:（1）Ta₂O₅、TaON、Ta₃N₅中電荷分離傳輸?shù)睦碚撚?jì)算研究用DFT+U的方法,計(jì)算了Ta₂O₅和TaON中的電子空穴小極化子傳輸?shù)?.. 

【文章來源】：河南大學(xué)河南省

【文章頁數(shù)】：84 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

Ta2O5和TaON中空穴躍遷活化能最低的傳輸路徑

TaON和Ta3N5中電荷分離傳輸及表面水氧化過程的理論研究30圖3-3(a)TaON的晶體結(jié)構(gòu)，(b)TaON的DOS圖，(c)Ta3N5的晶體結(jié)構(gòu)，(d)Ta3N5的DOS圖3.3.2無缺陷和有缺陷的TaON和Ta3N5（100）表面的水氧化過程在TaON中，所有的Ta、O和N原子都是等價的，在缺陷結(jié)構(gòu)上的OER計(jì)算中，只考慮了O或者N空位的一個位置。在Ta3N5中，有兩種N原子，一種是三配位的，另一種是四配位的。因此，在OER計(jì)算中，我們考慮了兩個位置的氮空位。無缺陷的結(jié)構(gòu)和選定中間物種的結(jié)構(gòu)如圖3-2所示，有O或N缺陷的OER中間物種結(jié)構(gòu)和圖3-2類似。我們用TaON和Ta3N5表示沒有缺陷的（100）表面，TaON的O缺陷表面和N缺陷分別標(biāo)記為TaON-Ov和TaON-Nv。在Ta3N5中，有兩種N空位，三配位的N空位用Ta3N5-N1v表示，四配位的N空位用Ta3N5-N2v來表示。如圖3-2所示，有三種類型的O*（分別標(biāo)注為O1*、O2*和O3*）OER中間物種：O1*是直立O；O2*是一個O原子（來源于反應(yīng)的水分子）與表面N原子成鍵，形成Ta-N-O-Ta物種；O3*是一種與表面O原子有共價鍵的物質(zhì)，像是插入到了O-Ta鍵中，形成了Ta-O-O-Ta物種。這三種O*物種的DFT能量在表3-1中顯示。從表3-1中可以看出，對于TaON和Ta3N5，在沒有缺陷的表面，O2*物種（Ta-O-N-Ta）是最穩(wěn)定的。當(dāng)有空位出現(xiàn)時，直立O1*物種是最穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。(a)(b)(c)(d)


本文編號：3545929