開(kāi)發(fā)清潔可再生能源對(duì)于解決目前的能源短缺和環(huán)境污染問(wèn)題具有重大意義。氫氣作為一種二次能源,具有燃燒熱值高、環(huán)境友好、來(lái)源廣泛等優(yōu)點(diǎn),被視為化石能源的理想替代能源。利用太陽(yáng)光通過(guò)光催化反應(yīng)將水分解為氫氣和氧氣為緩解能源危機(jī)和解決環(huán)境問(wèn)題提供了一種有效的處理方案。然而,傳統(tǒng)的氧化物、硫化物等三維光解水催化劑仍然面臨著光生電子和空穴容易復(fù)合、可見(jiàn)光利用率低、帶邊位置無(wú)法滿(mǎn)足分解水的氧化還原電位等問(wèn)題。二維納米材料因?yàn)榫哂歇?dú)特的幾何結(jié)構(gòu)和電子學(xué)性質(zhì),被認(rèn)為是構(gòu)筑高效光解水催化劑的理想選擇。隨著理論計(jì)算方法的不斷完善和計(jì)算水平的不斷提高,不僅新材料的發(fā)現(xiàn)時(shí)間被大大縮短,人們還可以對(duì)其電子學(xué)結(jié)構(gòu)進(jìn)行較為準(zhǔn)確的描述。因此,通過(guò)理論計(jì)算設(shè)計(jì)高效的二維光解水催化劑已經(jīng)成為可能,有望為實(shí)驗(yàn)制備指明方向。在本論文中,我們利用密度泛函理論計(jì)算(DFT)設(shè)計(jì)了幾種二維層狀納米材料,并系統(tǒng)的研究了它們的電學(xué)性質(zhì)、光學(xué)性質(zhì)以及光解水催化性能。主要的研究成果如下:(1)通過(guò)計(jì)算設(shè)計(jì)了一種具有α-As結(jié)構(gòu)的二維GeTe單層材料。該材料具有較好的穩(wěn)定性,并且可以由體相材料通過(guò)機(jī)械剝離的方法制備。GeTe單層材料具有滿(mǎn)足光...

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【學(xué)位級(jí)別】：博士

【部分圖文】：

圖13光解水制氫的原理示意圖ps}

??當(dāng)半導(dǎo)體光催化劑被能量等于或大于其禁帶寬度的外界光源照射時(shí)，其價(jià)子（ｅ〇會(huì)被激發(fā)躍遷至導(dǎo)帶，同時(shí)在價(jià)帶上留下空穴（ｈ＋），形成光生電子－空后，電子－空穴對(duì)進(jìn)行分離，并從體相材料遷移到光催化劑表面的活性位點(diǎn)，傳輸?shù)酱呋瘎┍砻娴墓馍娮雍涂昭ㄅc催化劑表面的Ｈ＋和Ｈ２０結(jié)合分別和氧....

圖１．４幾種半導(dǎo)體的帶隙和帶邊位置與水的氧化還原電勢(shì)關(guān)系圖ｆ２＇??（２）光生電子－空穴的復(fù)合

子－空穴對(duì)在反應(yīng)過(guò)程中容易復(fù)合。半導(dǎo)體光催化劑在受到足夠能量的太陽(yáng)光激發(fā)之??后，產(chǎn)生的電子－空穴對(duì)會(huì)遷移到材料表面。但是上述過(guò)程是在一個(gè)非常迅速且短暫??的時(shí)間尺度下進(jìn)行。以Ｔｉ０２的光生電荷反應(yīng)行為為例［３７，３８］，如圖１．５所示，我們可??以看到光生電子和空穴在反應(yīng)各個(gè)步....

圖1.5TiOz誘導(dǎo)的光催化反應(yīng)及相應(yīng)的時(shí)間尺度I3}1

３）表面反應(yīng)能壘??從熱力學(xué)的角度考慮，水分解反應(yīng)是一個(gè)能量上升的反應(yīng)，即吸熱反應(yīng)，是非自??的反應(yīng)。理論上講，只要具有合適的帶隙和能帶邊緣位置，在光解水催化劑上就可??自發(fā)進(jìn)行光解水反應(yīng)。水分解反應(yīng)實(shí)際上是將兩分子的水分解為一分子氧氣和兩分??氫氣，該過(guò)程可以分為兩個(gè)半反應(yīng)。在....

圖１．６光解水反應(yīng)吉布斯自由能示意圖［４４］

?ｆ??Ｉ?Ｉ??圖１．５?Ｔｉ０２誘導(dǎo)的光催化反應(yīng)及相應(yīng)的時(shí)間尺度［３７］。??（３）表面反應(yīng)能壘??從熱力學(xué)的角度考慮，水分解反應(yīng)是一個(gè)能量上升的反應(yīng)，即吸熱反應(yīng)，是非自??發(fā)的反應(yīng)。理論上講，只要具有合適的帶隙和能帶邊緣位置，在光解水催化劑上就可??以自發(fā)進(jìn)行光解水反應(yīng)。水....

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