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二维硫属化合物及其复合材料电子结构和光催化性能的研究

马莉莉  
【摘要】:环境污染和能源匮乏是当今社会发展和人类生存面临的两个重要问题,发展污染治理技术和寻求绿色新能源已受到人们的高度重视。光催化技术在利用太阳能分解水产氢和降解污染物等方面展现出巨大的潜力,引起世界各国科学家的广泛关注。相对于传统的污染降解方法,光催化技术具有效率高、绿色且没有二次污染等优势,是最具潜力的环境友好型技术。要想实现光催化技术的工业化应用,关键是要研发新型高效光催化剂。半导体异质结是将两种或两种以上的半导体材料优化组合形成复合材料,复合材料不仅保持了各组分的优异性能而且可实现它们协同优化性能。本文采用第一性原理计算研究了二维硫属化合物及其复合材料(即WS_2/TX_2CO_2(TX=Ti,Zr)和GaS/GaSe异质结)的电子结构和光学性质,主要研究结果如下:(1)研究了二维层状材料WS_2、Ti_2CO_2、Zr_2CO_2和WS_2/TX_2CO_2异质结的电子结构及光学性质等。研究表明,相对于单层材料,二维WS_2/TX_2CO_2异质结因其界面原子间的耦合作用,使能带结构发生变化且带隙减小。较小的带隙使WS_2/TX_2CO_2异质结复合材料对光谱的相应范围拓展到整个可见光区域,甚至红外光区域,从而提高了太阳能利用率。WS_2与TX_2CO_2形成的界面均为II型异质结,有利于光生电子和空穴的分离,从而提高其光催化效率。此外,相对于WS_2/TX_2CO_2-II异质结,WS_2/TX_2CO_2-I异质结具有较强的界面相互作用、吸附能、电荷转移和稳定性,表明复合材料的性质与堆积的方式有关,选择合适的材料和堆积方式也很重要。这些研究结果为2D TMDs与MXenes复合材料在光催化领域的应用提供了新的视角和见解,也为设计研发新型二维异质结复合材料提供理论参考。(2)系统研究了界面对二维层状硫属化合物GaS/GaSe vdW复合材料的电子结构、电荷转移及光学性质的影响。研究结果表明,GaS/GaSe vdW异质结具有更小的带隙(1.40 eV和1.44 eV)且界面形成II型异质结,有利于提高太阳能利用率和光催化的量子效率。此外,相对于GaS/GaSe-II异质结,GaS/GaSe-I异质结具有较强的界面相互作用、吸附能、电荷转移和稳定性,说明相同的材料因堆积方式的不同性质也会有所差异。这为我们设计构建新型二维异质结复合材料提供参考,也为二维硫属化合物在光催化领域的应用提供了理论依据。


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