常见掺杂对GeO2及GR/Ag3PO4光催化性能影响的第一性原理研究

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GeO2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GeO2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GeO2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GeO2的光催化性能有很大的影响。No-GeO2和VGe-GeO2模型在实验上是最可能实现的模型，因为相比于纯相位GeO2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GeO2材料中光电子流密度，从而提升GeO2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。

目录

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摘要

插图索引

附表索引

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 半导体光催化材料概述

1．3 半导体材料掺杂国内外研究现状

1．3．1 半导体材料掺杂起源原因

1．3．2 常见半导体材料掺杂分类

1．4 第一性原理计算

1．4．1 第一性原理计算的基础理论和研究方法

1．4．2 第一性原理计算中半导体掺杂形式

1．5 课题选择的意义和研究内容

第2章 对N掺杂GeO2中光催化活性起源的第一性原理研究

2．1 引言

2．2 理论模型和计算细节

2．3 计算结果分析与讨论

2．3．1 结构性质和缺陷形成能

2．3．2 马利肯布居数(Mulliken)以及化学键分析

2．3．3 电子结构

2．3．4 光学性质

2．4 本章小结

第3章 对掺杂的石墨烯与Ag3PO4复合材料带隙附近的电子结构，界面电荷转移以及光催化性能的研究

3．1 引言

3．2 理论模型和计算细节

3．3 计算结果分析及讨论

3．3．1 几何结构和形成能

3．3．2 态密度分析

3．3．3 马利肯布居数、电荷转移和机理分析

3．3．4 光学性质

3．4 本章小结

结论与展望

参考文献

附录A 攻读硕士学位期间发表论文

致谢