论文部分内容阅读
近些年,TiO2,MoS2和MoSe2被广泛应用在催化剂领域。然而,它们在光催化领域的应用是很有限的,因为TiO2的能带间隙较大,同时MoS2和MoSe2的光催化活性位点仅存在于材料边缘。掺杂被认为是解决上述问题并提高材料光催化活性的有效方法。本论文主要介绍了金属或者非金属掺杂对材料光催化活性的影响。具体内容如下:(1)通过第一性原理计算系统的Co,N掺杂和共掺杂TiO2的晶格结构,形成能和电子和光学性质。从这些体系的水氧化还原反应势能可知仅N掺杂,Co-2N和Co-2N共掺杂TiO2满足光分解水的需求。并且,与未掺杂TiO2相比,Co-2N共掺杂TiO2的光学吸收阈值和吸收面积明显增大。Co-2N共掺杂TiO2具有最高的光吸收效率和产氢效率,由于存在弯曲和宽的杂质能级而大大提高了载流子的迁移率和分离能力。(2)通过第一性原理计算研究了 N/F共掺杂TiO2的晶格结构,形成能,电子结构和电荷载流子的有效质量。我们发现,在F掺杂剂的存在下,N原子更容易掺杂进TiO2晶格。其次,N/F共掺杂TiO2的杂质能级是非自旋极化且有效质量较小,提高了光生载流子的迁移率和分离能力。此外,它具有较低的能带边缘能量,增加了光生空穴的氧化能力。因此,我们解释了通过实验观察N/F共掺杂TiO2。(3)最近,P掺杂的超薄MoS2薄膜已经证明具有增强的光催化性能。然而,体带隙内的平滑杂质能级作为复合中心阻碍了其光催化性能。杂质能级是由P引起的。因此,这里采用电荷补偿的P和Cl共掺杂以除去杂质能级。研究发现P和C1原子倾向于占据S原子位点(PS和ClS)而不是Mo位点或间隙。有趣的是,PS-ClS共掺杂可以通过去除平滑的杂质能级和增加催化活性位点的数量来增强MoS2的光催化活性。(4)通过第一性原理研究了非金属(H,B,C,Si,N,P,As,O,S,Te,F,Cl,Br和Ⅰ)掺杂单层MoSe2的几何结构,氧化还原电位,电子和光催化性质。结合能表明,除了 B和C掺杂,非金属掺杂剂会极容易占据Se空位位置。最重要的是,具有奇数个价电子的非金属掺杂剂掺杂的单层MoSe2具有好的光催化性能。(5)用第一性原理计算,我们系统研究H钝化之后非金属受体(B,C,Si,N,P和As)掺杂的单层MoSe2中光催化活性的增强。我们发现,在H的存在下,非金属原子更容易进入到MoSe2中。此外,H钝化可以抑制光生电子和空穴对的复合,增加光生电子的还原活性,从而增强光催化活性;特别是在C-2H掺杂的单层MoSe2。(6)通过第一原理计算,系统的研究 3d TM(Sc,Ti,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni,Cu 和 Zn)掺杂的2H-MoSe2的电子和光催化性质。结果表明,在Se-rich生长条件下,Sc,Ti,V,Cr,Mn,Fe和Co原子倾向于占据Mo原子位置,而Ni,Cu和Zn原子倾向于吸附在间隙位置。更重要的是Sc和Ti掺杂的2H-MoSe2可以通过增强光生空穴的氧化能力,抑制光生电子和空穴的复合,和增加光催化活性点的数量来增强光催化活性。