【摘 要】
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二维材料由于具有高的载流子迁移率、大的表面积、带隙可调等优点,在光电子学器件、能源以及催化等领域得到广泛应用。本文在分析国内外的光催化分解水制氢研究的基础上,针对传统的二维材料和异质结构的缺点,以降低光催化分解水的带隙限制和改善载流子利用率为目的。借助于MoSiGeN4,GaN/PtSe2、GaN/MoSiGeN4、MoSi2N4/MoGe2N4异质结构以及双层MoSiGeN4等新材料,提出了Ⅱ型
【基金项目】
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国家重点研发计划项目“百千瓦级燃料电池电堆及辅助系统部件测试技术开发及样机工程化应用”(项目编号2018YFB1502700);
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二维材料由于具有高的载流子迁移率、大的表面积、带隙可调等优点,在光电子学器件、能源以及催化等领域得到广泛应用。本文在分析国内外的光催化分解水制氢研究的基础上,针对传统的二维材料和异质结构的缺点,以降低光催化分解水的带隙限制和改善载流子利用率为目的。借助于MoSiGeN4,GaN/PtSe2、GaN/MoSiGeN4、MoSi2N4/MoGe2N4异质结构以及双层MoSiGeN4等新材料,提出了Ⅱ型极化材料和Ⅲ型极化材料等新概念,补充了由极性材料构成的Ⅰ型异质结构和多层体系的理论模型。首先分析了GaN和PtSe2单层的光电性质,指明它们在光催化制氢的优点和缺点,利用稳定的GaN和PtSe2单层构建具有三种堆叠形式的GaN/PtSe2异质结构,记为AB1、AB2和AB3。结合能和分子动力学等方面分析GaN/PtSe2异质结构的稳定性,然后以最稳定的构型为例,重点研究它在光催化分解水制氢的潜在应用。基于形变势理论,计算GaN/PtSe2在x方向和y方向的载流子迁移率,与GaN和PtSe2单层的载流子迁移率比较,分析GaN/PtSe2异质结构的导带底和价带顶的贡献因素。与Ⅰ型和Ⅲ型异质结构相比,Ⅱ型异质结构是光催化领域的最佳搭档。本文提出的GaN/PtSe2异质结构的能带对齐方式由态密度的分析获知。有文献表明,异质结构的能带对齐方式在水环境和真空环境下存在差异。本文的重点是光催化分解水,材料的模拟环境就显得至关重要。我们通过溶剂化效应计算水环境中的GaN/PtSe2的能带对齐方式,以达到获取最接近实验的结果和评估潜在的商业应用为目的。分析MoSi2N4和MoGe2N4单层的光电性质,根据带边缘位置判断,分析它们分解水潜在的可能性。以载流子转移为出发点,分析传统材料在应用中的困难,研究极性材料MoSiGeN4在光催化分解水制氢的潜在应用。根据水的氧化还原势的对齐方式,将Janus材料细分为Ⅱ型极性材料和Ⅲ型极性材料。材料的稳定性是工业应用的基础,MoSi2N4,MoSiGeN4和MoGe2N4的动力学稳定性由声子色散关系评估,热力学稳定性由分子动力学评估,机械稳定性由弹性常数评估。比较MoSi2N4,MoSiGeN4和MoGe2N4的载流子迁移的方式,分析内建电场在光生电荷转移过程中扮演的角色。最后,构建了GaN/MoSiGeN4,MoSi2N4/MoGe2N4异质结构和双层MoSiGeN4。与传统Ⅰ型异质结构不同的是,GaN/MoSiGeN4异质结构中引入极化电场,研究了极化电场对Ⅰ型异质结构载流子转移的影响。在MoSi2N4/MoGe2N4异质结构中,研究了界面电场的大小和界面电场对载流子转移的影响。借助MoSi2N4/MoGe2N4的研究结果,类推双层MoSiGeN4的界面电场的大小。然后,研究双层MoSiGeN4的界面电场和内建电场的协同关系,构建双层极性材料光催化的理论体系。
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