光解水催化剂的第一性原理研究

作     者：张宝娣 

作者单位：南京师范大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李秀玲;戴亚飞

授予年度：2020年

学科分类：081702[工学-化学工艺] 081705[工学-工业催化] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 080502[工学-材料学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：光催化制氢 非金属二维材料 范德华异质结 第一性原理计算 

摘      要：近年来,环境污染、能源危机等问题越来越严重,人们渴望得到一种新型的、无污染的能源来代替煤炭、石油等不可再生的化石燃料,而氢能源无疑是我们最好的选择。到目前为止,工业上广泛采用红热的碳与水蒸气反应或者从天然气和石油加工工业中的提纯的甲烷与水蒸气反应来制取氢气。除此之外人们还提出了一种更清洁更廉价的方法来制取氢气,就是光解水来制取氢气。这一领域的第一个突破是1972年藤岛和本田利用TiO电极实现了水的完全分解。自那时以来,人们就开启了研究利用各种半导体材料作为光催化剂来制取氢气的大门。在本文中,我们利用密度泛函理论的模拟计算方法主要研究了两种二维材料充当光解水制氢的催化剂的可能性。一方面,通过研究二维非金属纳米薄膜g-HTAP的电学和光学性质,我们发现它具有良好的结构稳定性和光吸收效率,通过模拟g-HTAP的析氢反应(HER)和析氧反应(OER)过程,发现g-HTAP二维薄膜具有很好的制氢性能,但是析氧过程的驱动力略有不足,这可以通过添加牺牲剂来保证制氢的顺利进行。另一方面,我们还研究了二维异质结材料PtS/MoSe的光催化性能。由于一些光催化材料可能只满足析氢或析氧反应,无法实现全光解水过程,例如MoSe是一种很好的析氢材料。基于异质结器件的设计思想,我们寻找到了一种与MoSe失配率仅为3%的析氧型材料,使之与MoSe构成范德华型异质结。通过研究PtS/MoSe异质结的电学和光学性质,我们发现PtS/MoSe异质结属于z型异质结,其光吸收效率明显高于构成它的组分PtS和MoSe,它的光生电子和空穴的电位完全覆盖了水的氧化还原电位,可以用于全光解水。