長期以來,利用太陽能在半導(dǎo)體光催化劑上進(jìn)行分解水反應(yīng)被認(rèn)為是一種解決未來能源危機(jī)和環(huán)境污染的有效策略。在此過程中,半導(dǎo)體光催化劑起著至關(guān)重要的作用。一般來說,一種理想的光催化劑至少需要滿足以下三個(gè)基本條件:（1）帶隙范圍為1.6³.3 eV,用于吸收可見光;（2）帶邊位置（導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂）應(yīng)該要跨越水的氧化還原電位,使其能夠同時(shí)進(jìn)行析氫和析氧反應(yīng);（3）穩(wěn)定性要足夠高（包括不溶于水和耐腐蝕等）。此外,大的比表面積、高的載流子遷移率和小的激子結(jié)合能也是非常重要的條件。通過第一性原理計(jì)算,本文提出了二維Janus In₂XY（X、Y=S,Se和Te）單層作為潛在的光催化劑用于分解水反應(yīng)。本文的研究內(nèi)容主要包括以下三個(gè)部分:（1）提出并設(shè)計(jì)了Janus In₂XY單層的原子結(jié)構(gòu),通過聲子譜計(jì)算證實(shí)它們是動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定的。根據(jù)使用HSE06雜化泛函計(jì)算出的能帶結(jié)構(gòu),得出In₂SSe,In₂STe和In₂SeTe單層的帶隙分別為2.30,1.54和1.82 eV,滿足光... 

【文章來源】：湖北工業(yè)大學(xué)湖北省

【文章頁數(shù)】：66 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

光催化水分解反應(yīng)的基本原理[3]

湖北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文4少數(shù)金屬離子（Co3+和Al3+）降低了TiO2的光反應(yīng)性；同時(shí)也證明了摻雜的TiO2光反應(yīng)性與摻雜劑的濃度和分布、在TiO2中摻雜劑的能級排布、d電子構(gòu)型以及入射光的強(qiáng)度都相關(guān)。隨后Umwbayashi等人[5]利用全勢線性綴加平面波（Full-PotentialLinearizedAugmentedPlaneWave，F(xiàn)LAPW）方法計(jì)算了3d過渡金屬元素（包括V、Cr、Mn、Fe、Co和Ni）摻雜TiO2的態(tài)密度（DensityofStates,DOS），如圖1.2所示。計(jì)算結(jié)果表明：當(dāng)TiO2中摻雜了V、Cr、Mn、Fe和Co之后，在態(tài)密度中出現(xiàn)了一個(gè)電子占據(jù)能級并且電子主要局域在摻雜劑的周圍。隨著摻雜原子序數(shù)的增加，局域能級向著低能級的方向逐漸移動(dòng)。其中，Co摻雜引起的局域能級足夠低，位于價(jià)帶的頂部；而其它金屬摻雜則產(chǎn)生了中間態(tài)。與之相反，Ni摻雜的電子有一定的離域性，從而明顯地促進(jìn)了具有O-p和Ti-3d電子的價(jià)帶形成�；谖蘸凸怆妼�(dǎo)性的數(shù)據(jù)比較，他們發(fā)現(xiàn)了摻雜劑的t2g態(tài)在TiO2的可將光響應(yīng)中起到了非常重要的作用。圖1.23d過渡金屬摻雜TiO2的態(tài)密度[5]（Ti1-xAxO2：A=V、Cr、Mn、Fe、Co和Ni）

湖北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文5在2001年，Asahi等人[6]在Science上發(fā)表了一篇文章。文章內(nèi)容首先闡述了摻雜TiO2的三個(gè)基本條件：（1）摻雜應(yīng)該在TiO2的帶隙中產(chǎn)生能夠吸收可見光的態(tài)；（2）導(dǎo)帶底（包括后續(xù)的雜質(zhì)態(tài)）應(yīng)該與TiO2的導(dǎo)帶底一樣高或著高于H+/H2的還原電勢，以確保它的光還原活性；（3）帶隙中的摻雜態(tài)應(yīng)該與TiO2的能帶充分重疊，這樣會(huì)使得光生電子e-和空穴h+在它們的壽命內(nèi)快速轉(zhuǎn)移到光催化劑的活性位點(diǎn)上。條件（2）和條件（3）的要求使他們考慮摻雜劑是陰離子而不是陽離子，主要是因?yàn)殛栯x子通常會(huì)在TiO2帶隙的深處產(chǎn)生相當(dāng)局域的d態(tài)。如此局域的d態(tài)會(huì)導(dǎo)致光生電子e-和空穴h+復(fù)合中心的出現(xiàn)，降低了分解水反應(yīng)的效率。隨后，他們計(jì)算了非金屬元素F、N、C、S和P摻雜TiO2晶體的態(tài)密度，如圖1.3所示。從圖中很明顯可以看到，在這些非金屬元素?fù)诫s當(dāng)中，N摻雜方式是最有效的，這是由于它的p態(tài)和O的2p態(tài)之間的雜化使得TiO2的帶隙減校雖然S也有著類似的帶隙減小，但是由于它的離子半徑太大，很難將其插入TiO2晶體中。而C和P摻雜的態(tài)在帶隙中太深，無法滿足條件（3）。F摻雜對TiO2幾乎不改變它的帶隙，由于它的主要貢獻(xiàn)在價(jià)帶的深能級處。由于N的取代摻雜是最好的，所以進(jìn)一步研究了N的間隙摻雜和取代-間隙摻雜對TiO2帶隙的影響。這種分子式的摻雜在O的2p價(jià)帶以下形成成鍵態(tài)，在帶隙中形成反鍵態(tài)，這些態(tài)與TiO2的能帶之間幾乎沒有任何的相互作用。因此，根據(jù)條件（3），N間隙摻雜的TiO2不太可能成為有效的光催化劑�？傊�，這篇文章說明了N的取代摻雜可以明顯減小TiO2的帶隙且沒有復(fù)合中心的出現(xiàn)，從而吸收可見光以提高光催化的活性。圖1.3摻雜TiO2的總態(tài)密度A和摻雜離子的分波態(tài)密度B[6]

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]可見光鉍系光催化劑的研究進(jìn)展[J]. 赫榮安,曹少文,周鵬,余家國.  催化學(xué)報(bào). 2014(07)



本文編號：3275017