【摘 要】
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光催化分解水制氢是解决未来能源短缺一种可行的方法,其关键在于寻找合适的光催化材料。WS2和WSe2是典型的层状材料,两者都具有良好的光催化性能。但单体TMDs的光激发载流子复合率较高,使得其光催化性能受到了限制。一般二维材料的常见改性方法包括构建异质结、离子掺杂和施加应力应变等。本文以单层2H相WS2和WSe2为基底构建异质结,借助第一性原理方法比较系统地研究了异质结的电子结构和光学性质,详细分析
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光催化分解水制氢是解决未来能源短缺一种可行的方法,其关键在于寻找合适的光催化材料。WS2和WSe2是典型的层状材料,两者都具有良好的光催化性能。但单体TMDs的光激发载流子复合率较高,使得其光催化性能受到了限制。一般二维材料的常见改性方法包括构建异质结、离子掺杂和施加应力应变等。本文以单层2H相WS2和WSe2为基底构建异质结,借助第一性原理方法比较系统地研究了异质结的电子结构和光学性质,详细分析了其光催化分解水制氢性能,并对比分析了构建异质结前后的变化,讨论了异质结对光催化分解水制氢性能的作用机理。论文的主要内容包括:第一,基于密度泛函理论的第一性原理,构建WS2/Pt S2和WS2/Pt Se2异质结,计算了其电子结构和光学性质。计算得到,单层WS2、Pt S2和Pt Se2的带隙值分别为2.308e V、2.589 e V和1.938 e V。构建的异质结WS2/Pt S2和WS2/Pt Se2的带隙值分别为1.635e V和1.656 e V,层间电势差分别为2.400 e V和3.090 e V。同时,WS2/Pt S2和WS2/Pt Se2在可见光波段范围内的光吸收系数较单体WS2有所增大。经过分析,WS2/Pt Se2满足光催化分解水的电位要求,且异质结构产生的内建电场有利于载流子的分离,在保留WS2符合光催化分解水条件的同时,有助于改善WS2光催化制氢性能。第二,构建WSe2/Pt S2和WSe2/Pt Se2异质结,计算了其电子结构和光学性质。计算得到,单层WSe2的带隙值为2.007 e V,构建的异质结WSe2/Pt S2和WSe2/Pt Se2的带隙值分别为1.144 e V和1.287 e V,层间电势差分别为5.040 e V和0.580 e V。同时,WSe2/Pt S2和WSe2/Pt Se2在可见光波段内的光吸收系数较单体WSe2有所增大。研究结果表明,WSe2/Pt Se2满足光催化分解水的电位要求,在保留WSe2符合光催化分解水条件的同时,借助异质结产生的内建电场有利于载流子的分离,对改善WSe2光催化制氢性能有一定的帮助。第三,基于密度泛函理论的第一性原理,构建WS2/Zn O和WSe2/Zn O异质结,计算了其电子结构和光学性质。首先采用GGA+U的方法对Zn O的带隙值进行了计算。研究发现,当UZn=7e V和UO=6e V时,HSE06+U方法计算得到Zn O的带隙值为3.364 e V,与实验值3.370 e V高度吻合。在此基础上,计算得到WS2/Zn O和WSe2/Zn O的带隙值分别为1.542 e V和1.954 e V,层间电势差分别为7.310 e V和3.670e V。同时,WS2/Zn O在部分可见光波段范围内的光吸收系数较WS2有所增大,但WSe2/Zn O在可见光波段范围内的光吸收系数却小于WSe2。研究结果表明,WSe2/Zn O的带隙值和带边电位满足光催化分解水的要求,并且其异质结构有助于载流子的分离,说明其在光催化分解水制氢领域具有较好的潜在应用。
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