半導體氧化物光催化劑的能帶調控的理論研究

《半導體氧化物光催化劑的能帶調控的理論研究》是依託寧波大學，由段香梅擔任負責人的國家自然科學基金資助面上項目。

基本介紹

• 中文名：半導體氧化物光催化劑的能帶調控的理論研究
• 依託單位：寧波大學
• 項目負責人：段香梅
• 項目類別：面上項目

項目簡介

能源問題成為全球經濟發展的嚴重製約因素。氫能作為一種清潔能源受到全世界的高度關注，分解水製取氫能是一種最簡便的方法。目前氫的生成效率較低、製造成本偏高，因此，光解水制氫的首要目標是研究與開發可見光回響的光催化劑。為了提高光催化劑分解水制氫效率，必須對光催化劑進行改性處理，使其具有可見光回響的光催化性能。本項目將利用基於第一原理密度泛函理論的計算模擬方法系統研究半導體金屬氧化物光催化劑的摻雜機理與改性。旨在通過各種摻雜手段，拓展寬禁帶納米半導體氧化物的光回響範圍；設計具有特殊能帶結構的複合體，研發具有高可見光催化性能的光催化劑。作為基礎研究，該課題將有利於促進實現光解水制氫的實際套用，對開發新能源，淨化環境的全球戰略措施有所貢獻。

結題摘要

我們從探索新的共摻雜概念與方法開始,對於特定的光催化劑材料,分析能夠拓寬光回響範圍的共摻雜元素的各種組合。我們套用密度泛函理論方法研究了：1.ZnO的新共摻雜方法.研究了金屬Ti,Zr,Y及Sc與N共摻雜的ZnO的結構和電子性質,發現複合缺陷(Zr-２N),(Ti-２N),(Y-N),和(Sc-N)均在ZnO的價帶頂引入了滿占據的雜質能級,該能級具有N的２p電子的特徵,有趣的是,該能級與ZnO的價帶能級形成共振態。進一步摻雜N時,受主N的受主離化能低於孤立N在ZnO的離化能。我們計算了不同生長條件下的缺陷形成能,比較了共摻雜體系的摻雜效率。結果表明,ZnO的價帶頂的性質可以通過施主-受主對來調節,從而促進p型摻雜。2.共摻雜調節TiO２的光吸收 C,N和Re共摻雜體系。我們發現共摻雜體系不僅抬高了TiO2價帶頂而沒有明顯改變導帶低的位置，而且鈍化了單摻雜引入的帶隙態，從而在提高了可見光回響效率的同時減小了光生電子空穴對的複合。其中，以非補償方式的C-Re共摻雜和以補償方式的3N-Re、CN-Re共摻雜效果最明顯。價帶頂的上移主要由引入的缺陷的p軌道和d軌道雜化構成；導帶低則主要由Re和Ti的d軌道電子貢獻。 替位O離子共摻雜中空穴應力誘導的雜質耦合成對機制。我們選擇了C,N,S,P進行替位O離子的摻雜，由於這些原子兩兩共摻雜後會在體系內形成空穴與應力。計算結果顯示，N-N,C-S都可以自動成對，引起的能帶變化也與雙空穴誘導耦合的結果相一致。然而，在有比O原子半徑大的原子參與摻雜時，只要體系有一個空穴，兩個雜質離子就可以成對。通過具體分析，我們發現：雙空穴誘導耦合共摻雜成對只適用於N-N體系。而且如果給該體系帶電，雜質原子成對現象也不再發生。而對於有半徑較大的原子參與共摻雜如C-S，N-P等則是因為較大的原子受到相鄰原子的擠壓，引起晶格畸變，與空穴共同誘導雜質耦合成對。我們稱這種耦合機制為空穴與應變誘導的機制。這些空穴與應力誘導的耦合也會引起雜質間較強的相互作用，從而改變體系的能帶結構，影響光催化效率。