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【6h】

第IV-VI族二维类蓝磷相单硫属化物的电子性质及催化性能的理论研究

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目录

声明

第一章 绪论

1.1.1.二维材料的研究背景

1.1.2.二维第Ⅳ-Ⅵ主族材料的研究进展

1.2.研究意义

1.3.研究内容

第二章 理论基础及计算软件简介

2.1.1.Born-Oppenheimer近似

2.2.密度泛函理论

2.3.交换相关泛函

(1) 局域密度近似

(2) 广义梯度近似

(3) 杂化泛函

2.4.常用的计算软件包以及工具

(1)VASP软件包

(2)VASPKIT

第三章 蓝磷相单硫锗化物可作为光催化剂用于水分解:从紫外线到可见光

3.2.计算方法

3.3.双轴拉应力调控GeX的结果与讨论

3.3.1.双轴拉应力调控GeX的电子性质

3.3.2.GeSe单层电子和空穴的有效质量

3.3.3.GeSe单层在拉伸应变下的水分解活性

3.4.本章小结

第四章 少层碲化锗作为可见光范围内光解水催化剂

4.2.计算方法

4.3.1.不同层数下GeTe的稳定性以及电子性质

4.3.2.不同层数GeTe的光学性质

4.3.2.不同层数GeTe的水分解活性

4.4.本章小结

第五章 异质结调控碲化锗为水分解中析氢反应的光催化剂

5.2.计算方法

5.3.异质结的搭建结构以及性质的研究

5.3.2.异质结的电子性质

5.3.3.GeX/GeTe氢吸附活性的探究

5.4.本章小结

第六章 总结与展望

参考文献

攻读学位期间发表论文及获奖情况

致谢

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摘要

近年来,燃料资源短缺和全球温室效应引发了人们广泛地关注。寻找和开发潜在的绿色可再生能源迫在眉睫。作为清洁的可再生能源,利用太阳能光催化分解水制氢是目前缓解能源危机的理想方法之一。光催化分解水,需要由太阳光驱使光催化剂产生电子和空穴,从而将水还原成氢气并同时氧化成氧气。自1972年发现TiO2能够作为水分解光催化剂以来,各种各样的半导体光催化剂先后被发现可以用来光解水产氢。近年来,人们对二维材料(2D)的认识更加深入、具体。与其相应的体相材料相比,这些2D材料具有新颖的电子、光学和力学性能。特别是,2D材料具有较高的比表面积、较短的光生电子与空穴间迁移距离,使得它们有望成为新一代的光催化剂。由于具有锯齿蜂窝状结构和内置偶极,基于Ⅳ-Ⅵ类蓝磷相的单硫属化物2D材料尤其值得关注。本论文通过第一性原理计算,主要研究了2DⅣ-Ⅵ类蓝磷相单硫属化物的电子性质以及光催化水分解性能,具体内容如下:  首先,我们系统地评估了2D材料蓝磷相GeX(X=S,Se)单层作为光分解水催化剂的可能性。结果表明,GeX的能带边缘跨座于氢的还原电位和水的氧化电位,且带隙值落在紫外线范围内,表明GeX可用作为紫外线驱动的可能光催化剂。进一步,通过施加双轴拉伸应变,GeX的能带隙显著降低到可见光范围,而能带边缘的位置仍然适合用于光解水。在10%应变下,GeX材料的静电电势差达到1.23eV,打破了常规光催化剂对带隙限制的要求,从而将光吸收光谱范围从紫外扩大到了可见光范围。我们以GeSe为例,计算结果还表明,应变可以增强可见光范围内的光吸收并降低激子结合能,而材料的有效质量并未明显变化。同时,应变还可以显著降低析氢反应的自由能。因此,具有一定应变的GeX单分子层可以用作在可见光范围内分解水的有前途的光催化剂。  接下来,我们搭建了2D蓝磷相单层和少层的GeTe。结果显示,随着层数的增加,结构越来越稳定,带隙逐渐减小,静电势逐渐增加并达到可以忽略带隙而满足光解水的要求。带边位置结果表明,导带底与氢还原电势间有足够的驱动力。随着GeTe层数的增加,激子结合能减小,且水分解中的析氢半反应可以在自发条件下进行。因此,通过层数的调控,GeTe有望成为在可见光范围内的光解水催化剂。  最后,我们通过搭建Ⅳ-Ⅵ蓝磷相GeX/GeTe(X=S、Se)范德华异质结,进一步调控光解水催化性能。结果表明,GeX/GeTe异质结具有很高的稳定性。与单层GeTe相比,由于光催化驱动力增加,GeS/GeTe异质结的氢吸附自由能变得更低。因此,GeS/GeTe异质结有望促进水分解中析氢反应的发生。

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