【摘 要】
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面对日益严峻的环境污染和能源短缺危机,寻找高效、清洁、可持续的能源材料成为解决问题的关键。氢气是最有可能替代传统能源的新型材料,而利用太阳能或将太阳能转化为电能分
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面对日益严峻的环境污染和能源短缺危机,寻找高效、清洁、可持续的能源材料成为解决问题的关键。氢气是最有可能替代传统能源的新型材料,而利用太阳能或将太阳能转化为电能分解水制氢,是目前最为理想的途径。为实现这一目的,寻找合适的光/电催化剂成为研究热点。无机钙钛矿材料作为重要的氧化物半导体材料,具有结构稳定、制备成本低廉、安全无毒、资源丰富等优点,广泛应用于光电领域。但是,无机钙钛矿作为宽带隙半导体仅能响应紫外光区域,而对占太阳光绝大部分的可见光不能吸收,使太阳光利用率低下。因此,窄化无机钙钛矿的禁带宽度并使其光吸收带边向可见光方向扩展,是促进其实现光电领域应用的前提。另一方面,二维材料中的过渡金属硫属化合物是目前电催化析氢反应研究的一大热点,并被普遍认为是有希望替代目前应用较广的贵金属成为新型催化剂材料。本文围绕无机钙钛矿和二维材料中的BaTi03和MoSe2两种材料,通过第一性原理计算软件VASP研究两类材料的掺杂改性。研究内容主要有:(1)通过对BaTiO3进行17种金属掺杂改性研究,本文探讨不同金属掺杂对立方型BaTi03的晶体结构、结合能、电子结构、载流子有效质量等问题;通过一系列对比及筛选,计算发现大多数过渡金属掺杂有利于减小BaTiO3的禁带宽度,提高其综合稳定性、电子结构和有效质量,并得到Fe、Mo替换Ti位掺杂对提高BaTiO3的光电性能更有效的结论。同时我们也通过实验证明Mo掺杂BaTiO3后,可以使吸收带边红移,并提高光催化性能。(2)通过研究过渡金属V-M"和Nb-M”(M"为3d过渡金属Cr、Mn、Fe、Co、Ni和4d过渡金属Mo、Tc、Ru、Pd)共掺杂BaTi03的晶体结构、杂质形成能、电子结构、电荷密度分布等问题,最终发现,V-M"共掺杂可以通过掺杂元素之间的协同作用更好地调节带隙,其中最佳掺杂体系为V-Cr共掺杂。(3)根据氮(N)掺杂2H-MoSe2可以提高电催化析氢性能的实验结果,对比不同掺杂位点对其晶体结构、电子结构、相转变的影响,进一步设计模型计算2H-MoSe2、1T-MoSe2及N掺杂2H-MoSe2的析氢反应过程。结果表明N掺杂2H-MoSe2不仅有利于2H相转变为1T相,而且提高了材料的电催化析氢性能。综上所述,理论计算结果阐明了不同金属单/共掺杂BaTiO3电子结构的作用规律和光催化性能提高的内在机理,为探索金属掺杂改性的实验研究提供了理论参考。另一方面,通过研究揭示了 N掺杂2H-MoSe2对其电催化析氢性能的影响,解释了 N掺杂诱导2H相转变为1T相的原因以及N掺杂提高2H-MoSe2电催化析氢活性的内在机理,从而为实验现象提供了有力的理论依据。
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