《BiVO4/石墨烯異質界面的電子態與光催化性能研究》是依託陝西師範大學，由黃育紅擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：BiVO4/石墨烯異質界面的電子態與光催化性能研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：黃育紅
- 依託單位：陝西師範大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
可再生能源的短缺和環境污染的惡化成為制約社會長遠發展的重大問題，半導體光催化降解污染物或分解水制氫成為解決此類問題的重要途徑之一。如何有效分離光生電子和空穴是提高半導體光催化劑量子產率和活性的關鍵。研究表明，利用半導體異質結的內建電場或能級差可達到這一目的，且已明確界面處帶邊偏移量的制約作用。然而，關於帶邊偏移量與界面結構及摻雜狀態的關聯關係仍不明朗。本項目擬以BiVO4/石墨烯異質結為例，計算分析界面能和界面鍵合狀態，根據晶體對稱性進行替位式摻雜，確定摻雜界面的穩定構型；考察其電子結構、態密度及吸收光譜的變化，探討界面摻雜元素對帶邊偏移量的調控作用；製備典型界面取向及摻雜的異質結樣品，基於PL光譜測量揭示異質結對電子-空穴對複合的抑制作用；進行光催化降解實驗，結合理論分析，闡明BiVO4/石墨烯異質結對光催化特性增強的物理機制，為新型半導體光催化劑的設計提供參考。
結題摘要
環境污染和能源危機是制約當前社會經濟發展的兩個重要問題。光催化材料既可以有效利用太陽能，又可以降解污染物，成為材料學領域的重要研究方向。本項目結合理論計算模擬和實驗表征分析，系統研究了BiVO4基納米複合材料的基本物理特性及其光催化性質，已順利完成了各項研究內容，達到預期目標。部分研究結果已在Journal of Materials Science, Computational Materials Science, RSC Adv, The European Physical Journal B, Physica E, Materials Science and Engineering B等國際期刊發表學術論文24篇，其中SCI檢索22篇。培養碩士研究生2名。課題負責人和研究生等參加相關學術研討班4人次。取得的重要進展有：(1) 基於第一性原理計算揭示了壓力對BiVO4的力、電、光及催化性能的影響規律，發現T-1相和M相表現幾乎相同的光學特性；(2) 發現BiVO4在任何情況下都是間接帶隙半導體，帶隙隨壓力的增加而減小，O 2p、V 3d和Bi 6s電子態的雜化增強，使帶邊向較低的能量轉移，介電函式、光學折射率、吸收係數和反射率在低能區發生紅移；(3) 基於第一性原理計算發現 O空位導致BiVO4由間接帶隙變為直接帶隙，且增強了O 2p、V 3d和Bi 6s軌道的雜化，帶隙減小，靜態介電常數和折射率均大於理想的BiVO4；(4) 發現O空位導致介電函式、折射率、吸收係數、反射率、損失函式和電導率在低能量範圍發生紅移；（5）研究了不同濃度的N、Fe摻雜單斜相BiVO4的能帶結構和態密度。相比於理想BiVO4，N摻雜使材料的禁頻寬度變窄，其中1×1×1和2×1×1結構為間接帶隙半導體，表現為金屬導電，2×2×1超晶胞結構變為直接帶隙，其禁頻寬度值最小，表現為半導體特性。說明N摻雜濃度不同導致材料具有不同的導電性；Fe摻雜未改變1×1×1晶胞的導電性，仍保持半導體特性，Fe摻雜BiVO42×1×1、2×2×1晶胞時材料展現金屬性；(6) 發現利用乙二醇和乙二胺輔助的水熱法合成BiVO4時，當PH值從1到7變化時，BiVO4的形貌從花生狀、捆狀、花狀到星狀變化，選擇合適的V源及Bi源製備了不同形貌的BiVO4和Ag納米顆粒複合的結構，複合界面對光催化性能有增強效應。
