常见掺杂对GeO2及GR/Ag3PO4光催化性能影响的第一性原理研究

作     者：何超妮 

作者单位：湖南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：陈小林

授予年度：2016年

学科分类：081704[工学-应用化学] 081705[工学-工业催化] 07[理学] 070304[理学-物理化学(含∶化学物理)] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 0703[理学-化学] 

主      题：GR/Ag3PO4材料 掺杂 第一性原理计算 GeO2 电子结构 光催化 

摘      要：众所周知当今社会大型工业发展的脚步很迅速,但是工业发展的同时也带来了严重的环境污染和能源短缺等问题。其中,环境污染严重影响着人类的健康,同时对世界经济的发展和稳定产生了巨大的阻碍。因此,解决环境污染成为现在人类刻不容缓的任务。但是传统的降解环境污染物的方法不仅效率低,降解不彻底,还可能产生二次污染。近些年科学家发现半导体光催化降解污染物是一种高效率的处理环境污染的方法,并且在对环境的治理中取到了一定的效果。然而半导体光催化剂的缺陷也随之被发现：大多数廉价的、稳定性强的和高催化性能的半导体光催化剂都存在禁带带隙太宽和量子效率不高的问题,这些问题严重影响了半导体光催化剂在实际中的应用。近年,大量的学者都在研究减小半导体光催化剂带隙宽度的方法。在当前研究减小半导体光催化剂带隙宽度的方法中,有两种方法是当前研究的核心：1.考虑扩展光吸收光谱至可见光区域的阳离子或阴离子掺杂;2.与其它系统耦合,以促进电子-空穴对分离。基于以上事实,本文利用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法研究了掺杂对Ge02以及GR/Ag3PO4材料在光催化性能方面的影响。主要研究结果如下：(1)利用第一性原理系统的研究了四种掺杂GeO2(N掺杂、N+H掺杂、Ge空位以及O空位)和纯相位的Ge02的结构性质、电子性能和光学性质。通过对四种掺杂模型的计算结果的分析可以得出以下结论：在对Ge02实行N原子掺杂之后,N原子的2p态和O原子的2p态混合组成了杂质能级,杂质能级的出现对Ge02的光催化性能有很大的影响。No-GeO2和VGe-Ge02模型在实验上是最可能实现的模型,因为相比于纯相位Ge02这两个模型的光吸收边缘有明显的红移且在可见光范围内(400-600 nm)光吸收强度有明显的加强。总而言之,掺杂之后出现的杂质能级可以有效的阻止电子-空缺的复合效率,同时提高Ge02材料中光电子流密度,从而提升Ge02的光催化性能和扩展其光吸收至可见光区域。(2)利用第一性原理计算研究了掺杂的GR/Ag3PO4(100)复合材料的电荷结构和光学性质。事实证明,掺杂能够调节GR/Ag3PO4的能带结构、电荷结构以及界面电荷转移。并且发现掺杂会改变界面之间的相互作用,从而使得界面的电荷从新分配,杂质原子及与杂质原子相连的C原子成为了光催化作用活跃的点,从而增强了电子的转移,这对增强GR/Ag3PO4(100)在可见光区域的光催化性能极为重要。总而言之,掺杂能够显著的提高GR/Ag3PO4(100)的可见光光催化性能,并且N原子是最适合掺杂到GR/Ag3PO4(100)材料中的掺杂剂。