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《武汉理工大学》 2017年
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g-C_3N_4光催化材料异质结构、掺杂及纳米管结构的第一性原理研究

刘建军  
【摘要】:g-C_3N_4以其特殊的电子结构及突出的热稳定性和化学稳定性,在光催化领域具有广泛的应用。然而,g-C_3N_4也存在比表面积较小,光生电子与空穴复合率较高以及可见光吸收范围窄等缺陷。因此,对g-C_3N_4光催化材料予以调控与改性,成为当前g-C_3N_4光催化研究关注的重点。为了从微观上深入的阐明g-C_3N_4的几何结构、能带结构和光催化性质之间的关系,从而更好地对g-C_3N_4进行改性。本文采用第一性原理计算方法系统地研究了多种g-C_3N_4体系,包括g-C_3N_4基异质结构,g-C_3N_4掺杂体系以及一维g-C_3N_4纳米管体系的电子结构和光催化性质,并进一步从理论上给出相关实验现象的合理解释。本论文主要的研究结果如下:(1)利用杂化密度泛函方法计算了体相形式及单层g-C_3N_4的投影能带组成、载流子迁移率以及光催化性质。计算的体相形式及单层g-C_3N_4的禁带分别是2.71eV和2.76 eV,与实验结果十分接近。光生电子有效质量和迁移率的计算指出单层g-C_3N_4光生电子迁移率的显著增大有利于电子和空穴对的分离和迁移,从而减小载流子的复合率,这也是造成单层g-C_3N_4的光催化活性比体相g-C_3N_4更优异的根本原因。与体相形式相比,单层g-C_3N_4纳米片导带的绝对带边势基本未变,而价带的带边势却更正,从而提高了其氧化能力。(2)使用杂化密度泛函方法计算了g-C_3N_4/CdS纳米异质结构的能带以及电荷转移。g-C_3N_4(001)表面和CdS(110)表面间的相互作用也被探索。结果指出g-C_3N_4和CdS的导带底和价带顶的带边势随着费米能级的变化而改变,并形成典型的II型异质结构。态密度、巴德电荷和差分电荷密度计算指出内建电场有利于电子-空穴对在g-C_3N_4/CdS界面处的分离,从而抑制载流子的复合。这些结果指出构筑g-C_3N_4/CdS异质结在改善光催化效率上有非常好的作用。g-C_3N_4/CdS异质结构展示出比单独存在的g-C_3N_4和CdS更高的光催化性能。(3)利用杂化密度泛函方法对g-C_3N_4/TiO_2异质结构的电子态密度、电荷分布及能带带阶进行了系统的研究。结果指出g-C_3N_4/TiO_2异质结构的价带与导带带阶分别为0.40和0.18 eV。界面相互作用使得TiO_2表面带负电,g-C_3N_4表面带正电,这导致了在界面间形成了内建电场。在光照下,内建电场加速了TiO_2导带上的光激电子跃迁到g-C_3N_4的价带,其导致了电子和空穴分别自然的堆积在g-C_3N_4的导带和TiO_2的价带。电子与空穴在不同表面的聚集极大的延长了它们的寿命。此外,聚集在g-C_3N_4的导带的电子与TiO_2的价带的空穴分别有更强的还原以及氧化性。g-C_3N_4/TiO_2呈现出一个直接Z型光催化反应机理,其能够很好的解释g-C_3N_4/TiO_2异质结构光催化效率的改善。(4)利用杂化密度泛函方法计算了单层g-C_3N_4/SnS_2异质结构的能带结构、电子态密度和静电势。投影态密度和能带结构计算显示g-C_3N_4/SnS_2异质结构是能带交错式的结构。g-C_3N_4和SnS_2接触后,其表面分别带正电和负电,在界面处形成一个从g-C_3N_4表面指向SnS_2表面的内建电场,并且在界面处发生能带弯曲。在可见光照射下,SnS_2激发的光生电子在能带弯曲和内建电场的作用下易于与g-C_3N_4价带的空穴发生复合,从而在SnS_2的价带和g-C_3N_4的导带分别富集更多的空穴和电子。光生空穴和电子在空间上的分离有利于其在SnS_2表面和g-C_3N_4的表面参与光催化反应,形成直接Z型的光催化反应机理。同时更正的价带电势和更负的导带电势使得g-C_3N_4/SnS_2异质结构的氧化和还原能力都得到加强。(5)采用杂化密度泛函方法对磷掺杂g-C_3N_4体系的态密度及光催化性质进行了研究。计算发现,与本征g-C_3N_4相比,P掺杂N2位和C1位使得g-C_3N_4的禁带分别减小到2.03和2.22 eV。此外,相比于本征g-C_3N_4,P@N2和P@C1位g-C_3N_4体系的导带底和价带顶的带边势却都向下移动。这指出两种掺杂体系的价带顶的氧化性有所增强;虽然两种掺杂系统的导带底均有所下移,但是P@N2与P@C1位g-C_3N_4体系的导带底的电势仍然可以还原氢离子成为氢气。此外,g-C_3N_4掺磷使得光吸收范围向长波区扩展同时光吸收系数也有所增加。(6)利用杂化密度泛函方法系统地探索了锯齿结构(n,0)及扶手椅结构(n,n)g-C_3N_4纳米管(n=6,9,12)的几何和电子结构以及光催化性质。能带计算显示(9,0)g-C_3N_4纳米管是间接带隙结构,(6,0),(12,0),(6,6),(9,9)和(12,12)g-C_3N_4纳米管则均是直接带隙结构。(n,0)g-C_3N_4纳米管(n=6,9,12)的带隙随着管径的增加而增大。(n,n)g-C_3N_4纳米管(n=6,9,12)的带隙随着管径的增加而减小。计算的(n,0)g-C_3N_4纳米管(n=6,9,12)的电子的有效质量比空穴的有效质量要小,有利于电子的移动。而(n,n)g-C_3N_4纳米管(n=6,9,12)的空穴的有效质量比电子的有效质量要小,有利于空穴的迁移。绝对带边势的计算指出(n,0)和(n,n)g-C_3N_4纳米管(n=6,9,12)均具有分解水产氢能力。除了(6,0)g-C_3N_4纳米管以外,其它g-C_3N_4纳米管均具有分解水产氧的能力。
【学位授予单位】:武汉理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:O643.36;O644.1

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