掺杂NaTaO3的电子结构及相关性质的第一性原理研究

摘要

半导体光催化材料可以在光照下分解水制备氢气或者降解有机污染物，所以在能源和环境领域有着巨大的应用价值.因此，近年来它得到了越来越广泛的研究与关注。但是目前大部分的半导体光催化材料普遍存在两个严重的制约其实际应用的问题:带隙过宽和效率过低。如何解决这两个问题，使半导体光催化材料拥有更高的实际应用价值也正是目前该领域的研究重点。
　　 钽酸钠(NaTaO3)是一种半导体材料，其中钙钛矿结构的钽酸钠由于其所具有的光催化活性而被大家所关注。但是带隙过宽以及效率过低的问题，在NaTaO3中也同样存在。首先，过宽的带隙（约4.0 eV）使得它只能在能量较大的紫外光的照射下才有比较强的活性，而紫外光的能量只占照射到地球上的太阳光总能量的不到5％，所以带隙过宽也就制约了NaTaO3对太阳光的利用率。其次，效率过低。一般来讲，光催化反应的过程主要由以下三个步骤组成:
　　 1、光催化材料吸收能量合适的光子，在材料内部激发电子从价带跃迁到导带从而形成电子-空穴对;
　　 2、光生的电子-空穴对分离，迁移到材料的表面;
　　 3、迁移到表面的光生电子和空穴发生氧化还原反应，从而分解水制氢或者降解有机污染物。
　　 但是光生电子和空穴不管是在材料体内还是表面都会发生复合，从而降低了材料的光催化效率。因此，为了减小NaTaO3的带隙、减少光生电子-空穴的复合并促进它们的分离和迁移从而改进其光催化性质，人们进行着各种各样的研究与尝试。对半导体光催化材料性质的改进方法有很多，比如元素掺杂、形成固溶体或者表面修饰等，研究表明元素掺杂的实验和理论研究均具有较好的光吸收调控作用。因此，人们合成了各种金属及非金属元素掺杂的NaTaO3，并分别研究了这些元素的引入对NaTaO3的可见光吸收效率以及光催化活性等相关性质的影响。
　　 在本论文中，我们研究了几种元素掺杂以及共掺对NaTaO3的稳定性、电子结构、电子空穴有效质量及其光催化性质的影响，并对一些实验现象给出了合理的解释。同时，本文的主旨意在通过共掺寻求同时减小NaTaO3带隙并提高其光催化效率的方法。本文共分为五章:第一章主要介绍了光催化的机理以及NaTaO3作为光催化材料的研究背景和进展;第二章主要对于密度泛函理论基础及本文所用的第一性原理计算软件包的简介;第三章详细研究了N和La元素的掺杂及共掺对NaTaO3电子结构及光催化性质的影响;第四章研究了Bi及La元素的掺杂对NaTaO3光催化性质及其效率的改善;第五章对本文的研究内容进行了总结并对NaTaO3光催化的未来进行了展望。本文研究的主要内容和结论如下所述:
　　 (1)N的掺杂可以使NaTaO3价带顶上移，从而产生红移吸收可见光;La的引入可以减小电子-空穴有效质量，使其向表面迁移的更快而提高光催化效率。而N/La的共掺可以同时保持两者的特点在吸收谱红移产生可见光吸收的同时，也减小了电子-空穴的有效质量提高了光催化效率。因而可作为一种有潜在应用价值的半导体光催化材料。
　　 (2) Bi的掺杂可以减少NaTaO3的带隙产生可见光吸收，实验上已观测到;Bi/La共掺NaTaO3在带隙中出现隙态，可进一步使其吸收谱红移;与此同时La的引入依然使电子-空穴有效质量减小，所以Bi和La掺杂NaTaO3同样可作为一种有潜在适用价值的半导体光催化材料。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 光催化技术的基本原理

1．2．1 半导体光催化的基本原理

1．2．2 光催化分解水的基本原理

1．3 半导体光催化材料的研究进展

1．3．1 传统半导体光催化材料的研究进展

1．3．2 NaTaO3及其光催化研究进展

1．4 本论文的研究内容与结论

参考文献

第二章 密度泛函理论基础

2．1 Born-Oppenheimer近似与Hartree-Fock近似

2．2 电子密度

2．3 密度泛函理论

2．3．1 Thomas-Fermi模型

2．3．2 Hohenberg-Kohn定理

2．3．3 Kohn-Sham方程

2．4 交换关联泛函

2．4．1 局域密度近似(Local Density Approximation，LDA)

2．4．2 广义梯度近似(Generalized Gradient Approximation，GGA)

2．4．3 轨道泛函LDA(GGA)+U

2．4．4 杂化泛函

2．5 平面波和赝势方法

2．5．1 平面波方法

2．5．2 赝势方法

2．6 自旋限制与非限制计算

2．7 密度泛函理论的修正与扩展

2．8 本文采用的密度泛函理论计算软件包

参考文献

第三章 N、La掺杂及其共掺NaTaO3电子结构及光催化性质的影响

3．1 研究背景

3．2 计算方法与模型

3．2．1 计算方法

3．2．2 计算模型

3．3 结果与讨论

3．3．1 缺陷形成能

3．3．2 电子结构

3．3．3 电子和空穴的有效质量

3．4 本章小结

参考文献

第四章 Bi、La掺杂及共掺对NaTaO3电子结构及光催化性质的影响

4．1 研究背景

4．2 计算模型与方法

4．3 结果与讨论

4．3．1 缺陷形成能

4．3．2 电子结构与载流子有效质量

4．4 本章小结

参考文献

第五章 总结与展望

致谢

硕士期间参加的研究项目及获奖情况