半导体光催化材料掺杂改性中电荷补偿机制的理论研究

摘要

近年来，量化理论和数值算法的飞速发展，以及人类对物质不同层次的结构和动态过程理解的深入，使得基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理方法成为凝聚态物理、量子化学及材料科学中的常规研究手段。本论文基于密度泛函理论，针对半导体光催化技术发展中的实际问题，以掺杂元素在半导体中的电荷补偿为核心思想，以拓展半导体光催化材料的光响应范围和提高光电流密度为目标，从微观角度入手，通过对掺杂元素在半导体的掺杂形式的探索及不同掺杂形式对能带结构影响的分析，揭示掺杂改善半导体光催化活性中的电荷补偿机制，进一步设计具有电荷补偿效应的元素共掺杂的半导体光催化材料，以实现更高效的可见光催化活性，为实验合成提供理论指导。主要研究内容及结果如下:
　　 第一章，介绍了半导体光催化材料的研究意义及其发展历程，并对电荷补偿效应研究现状进行了概述。在此基础上，对本论文的内容作了简要介绍。
　　 第二章，主要介绍了密度泛函理论的发展，从最初的局域密度近似、广义梯度近似到现在的杂化泛函和相互作用修正，多种泛函形式的相继出现促进了密度泛函理论越来越精确的计算。在此基础上，简要介绍了本论文使用的计算软件包。
　　 从第三章开始，以非金属-非金属共掺杂和非金属-金属共掺杂的研究路线，通过对掺杂半导体几何结构和能带结构的分析，探讨了不同掺杂对半导体光催化性能的变化，揭示了不同的共掺杂形式中的电荷补偿机制。在第三章中，我们研究了N掺杂CsTaWO6增强可见光催化活性的微观机理。主要分析了氮和氢(NHs)两个氮(2Ns)及两个氮和氧缺陷(2Ns+Vo)这三种掺杂形式对光催化活性的影响。计算结果表明，对于NHs掺杂，N和H形成了很强的共价键，H作为施主提供一个电子给N，H-N形成“施主-受主对”电荷补偿形式。在2Ns掺杂中，晶格中形成N-N团簇结构，N-Nπ*键轨道充当最高占有轨道，两个N杂质引进的单电子通过N-N成键配对，形成了N-N电荷自补偿形式。对于2Ns+Vo掺杂，两个N的单电子与来自氧缺陷的两个电子配对，由N单掺杂引起的二重态N2-变为无磁性的单重态N3-，N-Vo-N形成了“受主-施主-受主对”的电荷补偿形式。以上三种电荷补偿形式的形成是半导体可见光催化活性得到提高的主要原因。本章的工作很好地阐释了N掺杂CsTaWO6提高可见光催化性能的微观机制。
　　 第四章，则主要研究了非金属与金属离子共掺杂TiO2对其光催化性能影响的微观机理，内容包括W/2N共掺杂TiO2锐钛矿相(101)和金红石相(110)表面及La/F共掺杂TiO2锐钛矿相(101)表面。通过对这两种掺杂形式几何结构和电子结构的分析，计算结果表明:(1)在TiO2锐钛矿相(101)面与金红石相(110)面中，N的掺杂引起N2p杂质态出现在带隙间，缺少一个电子的N充当受主，需要施主提供一个电子来保持体系的电荷平衡;在W的掺杂中，W5d态在导带底处，充当施主能级;对于W/N掺杂，形成了N2p与W5d轨道的杂化态，并且杂化态在价带顶处。W5d态的存在降低了N2p态能级，使N杂质态更接近价带，从而增强了N2p和O2p态的杂化，消除了由单一的N掺杂引起的带隙态，W的掺入补偿了N的单电子，初步体现了电荷补偿效应;在W/2N共掺杂中，两个N分别从W捕获到一个电子，形成N-W-N(受主-施主-受主)电荷补偿形式，相比以上掺杂，显示了更高的催化活性。(2)在TiO2锐钛矿相(101)面中，F掺杂引起价带顶向更低能量迁移，费米能级上移至导带底，引起了施主能级的出现;在La的掺杂中，由于La比Ti少电子，La的掺入引起受主能级出现在价带顶;La/F共掺杂引起La和F之间发生电子转移，La-F形成“受主-施主对”，以达到电荷补偿，使体系保持电荷平衡。
　　 第五章，对本论文进行了总结，归纳了创新点，并对今后拟开展的研究工作进行了展望。

目录

声明

CONTENTS

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 半导体光催化材料的发展历程

1．3 半导体光催化反应原理及影响光催化活性的因素

1．4 半导体共掺杂改性中的电荷补偿机制

1．4．1 非金属与非金属共掺杂

1．4．2 金属与金属离子共掺杂

1．4．3 非金属与金属离子共掺杂

1．5 本文选题思路及主要研究内容

参考文献

第二章 基本理论方法及其应用

2．1 密度泛函理论

2．1．1 Kohn—Sham方程

2．1．2 局域密度近似(Local Density Approximation，LDA)

2．1．3 广义梯度近似(Generalized Gradient Approximation，GGA)

2．1．4 自洽场计算

2．2 本文采用的密度泛函理论计算软件包

2．2．1 CASTEP软件简介

2．2．2 DMol3软件简介

2．3 本章小结

参考文献

第三章 N掺杂CsTaWO6可见光催化中电荷补偿机制的理论研究

3．1 引言

3．2 计算参数与几何模型

3．3 结果与讨论

3．3．1 纯相与Ns掺杂CsTaWO6

3．3．2 NHs掺杂CsTaWO6

3．3．3 2Ns杂CsTaWO6

3．3．4 2Ns+Vo掺杂CsTaWO6

3．4 结论

参考文献

第四章 金属与非金属共掺杂TiO2表面可见光催化中电荷补偿的理论研究

4．1 引言

4．2 W／2N共掺杂TiO2锐钛矿相(101)和金红石相(110)表面

4．2．1 背景介绍

4．2．2 计算方法

4．2．3 结果与讨论

4．2．4 本节小结

4．3 La／F共掺杂锐钛矿相TiO2(101)表面

4．3．1 背景介绍

4．3．2 计算方法

4．3．3 数据分析与结果讨论

4．3．4 本节小结

4．4 本章小结

参考文献

第五章 总结和展望

5．1 本论文的主要结论

5．2 本论文的创新点

5．3 展望

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文和参与的科研项目