掺杂BiOBr和共掺杂MoSe2光催化活性的第一性原理研究

作     者：王世展 

作者单位：河南师范大学 

学位级别：硕士

导师姓名：徐国亮;路战胜

授予年度：2021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：第一性原理 光催化活性 电子结构 带隙边缘 

摘      要：近年来,MoSe,BiOBr广泛应用在光催化领域。然而,本征的Bi OBr和单层Mo Se在光催化剂方面表现也有所限制。Bi OBr因为较大的带隙导致其在可见光区域表现不佳。单层Mo Se也面临着光生电子空穴对分离困难,光催化活性位点少(活性位点仅存在不饱和的边缘)的问题。幸运的是,掺杂是调控材料性质的有效手段。且共掺杂在材料性质调控上相对于单掺杂更具有优势。本文通过第一性原理,主要研究非金属B-F共掺杂Mo Se对其光催化活性的调控和非金属Se单掺杂BiOBr(102)面对其光催化活性的影响。具体内容如下:1.通过第一性原理详细论述B和F单掺杂和共掺杂单层MoSe的晶格结构。形成能分析表明B和F单原子分别倾向吸附在Mo原子和Se原子的顶部。单独掺杂倾向于取代Se原子。但B吸附F掺杂是F原子倾向于取代Mo原子。电子结构分析表明,B和F单吸附或者单掺杂容易在禁带中间产生平坦的半满能级,导致光生电子跃迁过程中容易被湮灭。但是B和F共掺杂由于存在宽的杂质态更有利于光生电子的跃迁,这是因为共掺杂的电荷补偿机制有效的消除的平坦的杂质态从而有效的降低光生载流子的复合。光吸收谱证实所有的掺杂构型均出线了红移,表明掺杂有效的增加了其对可见光的吸收范围。且B和F共掺杂不仅满足光催化分解水的能力,其带隙边缘的位置显示其在CO光还原制备有机燃料方面有潜在的应用。此外,B和F共掺杂Mo Se和其他掺杂构型均增加了活性位点的个数。总之,B和F共掺杂Mo Se相对于单掺杂更加有效的增强其光催化活性。2.实验证明,Se掺杂BiOBr(102)面有效的减小了带隙和增大了光吸收谱的范围。通过第一性原理计算表明,Se替代掺杂Bi OBr(102)面的O原子不属于P或N型掺杂,因此不会向体系引入平坦的半满态从而增加其光生载流子的复合率。电子结构表明,Se掺杂Bi OBr(102)面有效的降低了其带隙,带隙值从2.22 e V降低到2.09 e V,和实验测量的趋势一致。且在带隙中间产生全满态能级,因此成为光生电子跃迁的台阶,从而促进了光生载流子的分离。吸收光谱发现Se原子掺杂使光吸收范围红移,提升了其在可见光区域的光催化活性。