单原子Bi吸附对BiOI光催化性能的影响

BiOI是一种极具潜力的光催化剂,目前其光催化效率较低,有待进一步提高.本文为了研究其微观光催化机理,提高光催化性能,采用第一性原理方法计算研究单原子Bi吸附在1I-BiOI表面体系的结构、电子和光学性质.与BiOI相比,Bi/BiOI吸附体系不仅结构稳定性强,而且具有可见光吸收高的性质.计算结果表明,单原子Bi吸附在1I-BiOI表面时,电荷从吸附原子Bi转移到1I-BiOI表面,与1I-BiOI体系相比,吸附Bi的1I-BiOI体系中Bi-B、Bi-Z和Bi-H的功函数降低,单原子Bi吸附后,Bi/BiOI体系的光吸收增强.表明吸附原子Bi与1I-BiOI之间形成了内建电场,提高了电子转移效率,抑制了光电子-空穴复合率,进而提高光催化性能.计算研究表明单原子Bi吸附能提高BiOI光催化效率,有助于设计具有更好光催化性能的新型结构.     

纤铁矿型TiO_2纳米片层结构的稳定性与电子结构研究

采用平面波超软赝势方法研究了纤铁矿型TiO_2纳米片层结构的稳定性和电子结构.结果显示该结构具有较高的稳定性,其带隙比锐钛矿型TiO_2要大0.59 e V,带隙内没有出现表面态.通过对空位缺陷形成能的比较,结果显示这在还原性气氛下纤铁矿型TiO_2纳米片层表面Ti空位的形成能明显低于O空位的形成能,确定出最容易出现的缺陷是-4价的Ti空位,该空位缺陷的出现会使带隙中产生表面缺陷态.与体相内缺陷不同,表面缺陷态可以促进电子和空穴的分离,这些发现可以合理的解释最近的实验结果 .     

第一性原理研究厚度和空位缺陷对Si/SiO2界面电子结构与光学性质的影响

采用基于密度泛函理论的平面波超软赝势方法,在局域密度近似（LDA）下研究了Si纳米层厚度和O空位缺陷对Si/SiO2界面电子结构及光学性质的影响．电子结构计算结果表明：在0.815~2.580nm的Si层厚度范围内,Si/SiO2界面结构的能隙随着厚度减小而逐渐增大,表现出明显的量子尺寸效应,这与实验以及其他理论计算结果一致;三种不同的O空位缺陷的存在均使得Si/SiO2界面能隙中出现了缺陷态,费米能级向高能量方向移动,且带隙有微弱增加．光学性质计算结果表明：随着Si纳米层厚度的减小,Si/SiO2界面吸收系数产生了蓝移;O空位缺陷引入后,界面光学性质的变化主要集中在低能区,即低能区的吸收系数和光电导率显著增加．可见,改变厚度和引入缺陷能够有效地调控Si/SiO2界面体系的电子和光学性质,上述研究结果为Si/SiO2界面材料的设计与应用提供了一定的理论依据．     

第一性原理研究厚度和空位缺陷对Si/SiO2界面电子结构与光学性质的影响

采用基于密度泛函理论的平面波超软赝势方法,在局域密度近似（ LDA）下研究了Si纳米层厚度和O空位缺陷对Si／SiO2界面电子结构及光学性质的影响．电子结构计算结果表明：在0.815～2.580nm的Si层厚度范围内, Si／SiO2界面结构的能隙随着厚度减小而逐渐增大,表现出明显的量子尺寸效应,这与实验以及其他理论计算结果一致;三种不同的O空位缺陷的存在均使得Si／SiO2界面能隙中出现了缺陷态,费米能级向高能量方向移动,且带隙有微弱增加．光学性质计算结果表明：随着Si纳米层厚度的减小, Si／SiO2界面吸收系数产生了蓝移; O空位缺陷引入后,界面光学性质的变化主要集中在低能区,即低能区的吸收系数和光电导率显著增加．可见,改变厚度和引入缺陷能够有效地调控Si／SiO2界面体系的电子和光学性质,上述研究结果为Si／SiO2界面材料的设计与应用提供了一定的理论依据．     

Bi2S3/BiOCl复合光催化剂的水热合成及其高活性

采用一种简便的水热法在433 K的温度下成功合成了具有不同Bi2S3质量分数的Bi2S3/BiOCl复合光催化剂,利用各种技术对其进行了表征.在紫外光照射下,以甲基橙水溶液的光催化降解为模型反应,评价了Bi2S3/BiOCl复合光催化剂的活性.研究结果表明:与纯Bi2S3和纯BiOCl相比,Bi2S3/BiOCl样品明显具有更高的光催化性能,尤其当Bi2S3在Bi2SJBiOCl中的质量分数为26.5％时,Bi2 SJBiOCl复合催化剂的光催化活性与商业P25(TiO2)的活性非常接近,而这种商业P25在紫外光照射下是公认的高效光催化剂.这种明显提高的光催化活性主要归功于光生电子和空穴在Bi2S3和BiOCl形成异质结界面上的有效转移,降低了电子-空穴对的复合.     

基于第一性原理的钙钛矿材料空位缺陷研究

为了获得优异的钙钛矿材料,本文系统地研究有机-无机杂化钙钛矿材料(CH3NH3PbI3)的电子结构和光学特性,同时探究了空位缺陷对其光学性质的影响。首先,采用Materials Studio软件构建本征钙钛矿材料的电子结构,并基于广义梯度近似的方法(GGA)和Perdew-Burker-Ernzerhof (PBE)泛函,优化其电子结构并计算本征钙钛矿材料的电学和光学特性。通过采用范德华力修正,解决了密度泛函理论低估带隙的问题,得到准确的带隙。其次,研究不同的空位缺陷(Pb空位和I空位缺陷)对钙钛矿材料的电子结构的影响,并计算其能带、态密度和光学性质。最后通过对比本征钙钛矿材料和空位缺陷的钙钛矿材料特性,从微观机理研究空位缺陷对其光学性质的影响。结果表明:本征钙钛矿材料带隙为1. 52 e V,这与实验测得的带隙值基本吻合;同时研究发现Pb空位缺陷会导致钙钛矿呈偏P型材料; I空位缺陷会导致钙钛矿呈偏N型材料。空位缺陷能够有效地改变钙钛矿材料的介电函数和光吸收谱,对于钙钛矿材料的研究及在光电器件领域的应用具有重要的理论价值。     

具有氧空位Bi_xWO_6(1.81≤x≤2.01)的第一性原理计算和光催化性能研究

为了探索影响Bi_2WO_6光催化性能的内在机制,采用密度泛函理论(DFT)计算和实验研究了非化学计量和氧空位对Bi_2WO_6晶体结构、电子结构和显微结构的影响.采用溶剂热法合成了具有氧空位的非化学计量Bi_xWO_6(x=1.81,1.87,1.89,1.92,2.01)光催化剂.DFT计算结果表明,氧空位的存在可显著减小Bi_2WO_6的带隙,有利于光生电子的生成.实验结果表明,当Bi元素的含量小于化学计量比时,Bi_2WO_6的晶体结构发生了微小变形,Bi元素含量对Bi_2WO_6的显微结构影响不大,但会影响产品氧空位的含量和光吸收性能,并有效抑制电子空穴的复合.Bi_(1.89)WO_6产品的光催化性能最佳,可见光照射180 min后,可降解98%的罗丹明B.采用适当方法,使产品具有氧空位和非化学计量是获得高光催化活性材料的一种有效方法.     

缺陷位置对单层石墨烯拉伸形变的影响

采用AIREBO势函数,对含有多种空位缺陷的单层石墨烯进行分子动力学拉伸模拟,计算不同空位缺陷的位置和排布结构对单层石墨烯应力-应变的影响.结果表明：石墨烯拉伸过程中空位缺陷对其力学性能影响较大.石墨烯内缺陷位置、缺陷排布对拉伸过程中发生的撕裂现象有不同程度的影响.对比分析发现,远离石墨烯边界的空位缺陷对其力学稳定性影响较大.通过控制石墨烯中缺陷的位置,可实现对其力学性能的调控.     

Zigzag型石墨纳米带电子结构和输运性质的第一性原理研究

采用第一性原理电子结构和输运性质计算研究了zigzag型单层石墨纳米带(具有armchair 边缘)的电子结构和输运性质及其边缘空位缺陷效应. 研究发现,完整边缘的zigzag型石墨纳米带是具有一定能隙的半导体带,边缘空位缺陷的存在使得纳米带能隙变小,且缺陷浓度越大,能隙越小,并发生了半导体-金属转变. 利用这些研究结果,将有助于在能带工程中实现其电子结构裁剪. 关键词： 石墨纳米带 空位缺陷 电子结构 输运性质     

氮化硼纳米片的电子结构和自旋调控

单层氮化硼纳米材料具有与石墨烯相似的原子排列方式, 但是由于硼原子和氮原子之间的电荷转移, 两种材料的电子特性具有较大的差异. 本文采用Hubbard模型和量子力学第一性原理计算相结合的方法研究了具有氢原子饱和的锯齿型边界的三角形氮化硼纳米片(Nanoflake) 的电子结构, 发现：与相应的石墨烯纳米片不同, 出现在氮化硼纳米片费米能级附近的零能态(zero-energy-states)要么被电子完全占据, 要么是全空的, 表现出自旋简并的特点; 通过对氮化硼纳米片进行电子(或空穴)掺杂可以有效地调控"零能态"上的电子占据, 进而对氮化硼纳米片的自旋进行调控. 这将为氮化硼纳米材料在自旋电子学等领域的应用提供重要的理论依据. 关键词： 氮化硼纳米片 电子结构调控 Hubbard 模型 量子力学第一性原理     

卤氧化铋与半导体光催化剂偶合研究新进展

两种半导体耦合能够形成异质结而使系统的电荷分离效率得到提高,扩展对光谱吸收范围,以便提高其光催化性能。半导体耦合在制备过程中容易受到制备方法、反应温度等影响,引起耦合半导体晶体结构和表面性质发生变化,从而使得其光催化量子效率增大。主要从以下三个方面进行了论述,(1) 卤氧化铋-氧化物偶合体系, 将半导体材料与BiOX进行复合,能够形成高效异质结型结构能提高光催化降解污染物光催化性能; (2)AgX-BiOX偶合体系, 与纯净的AgI或BiOI相比,复合光催化材料AgI/BiOI在可见光下具有更高的光催化反应活性。(3)卤氧化铋与其它化合物偶合体系,Bi₂S₃与BiOX进行偶合后,光生电子在两种催化剂中进行迁移,提高了电子与空穴分离效率,因而偶合物的光催化性能得到提高。另外,本文综述了近年来国内外半导体耦合制备方法、影响其光催化性能的因素、提高可见光利用效率的最新研究进展,并提出在半导体耦合研究中所要解决的主要问题及今后努力方向。     

The photocatalytic mechanism of BiOI with oxygen vacancy and iodine self-doping

The photocatalytic mechanism of BiOI with an oxygen vacancy and iodine self-doping is investigated by studying their structural, electronic and optical properties. The results of the first-principle calculations indicate that the utilization of the visible light region is broadened, and thus the photocatalytic performance is improved, via introducing an oxygen vacancy or I dopant. Among them, I-Bi doped BiOI shows the best photocatalytic performance, and it is also the preferred one of the three structures due to its better stability. The occurrence of I-Bi or I-I interactions in the original double iodine layer along with the introduction of I dopant leads to a planar localization of the photocatalytic mechanism. Then it is expected that the photo-generated carriers will transfer to the catalyst surface more easily; the photocatalytic activity of BiOI relies on the planar localization to a great degree.     

Microemulsion synthesis, characterization of bismuth oxyiodine/titanium dioxide hybrid nanoparticles with outstanding photocatalytic performance under visible light irradiation

Reverse microemulsions, consisting of n-hexanol, Triton X-100, Cyclohexane and aqueous salt solutions, were used to synthesize BiOI, TiO₂ and BiOI/TiO₂ hybrid nanoparticles at room temperature. The particles had been characterized by X-ray powder diffraction, FT-IR spectra, TG-DSC analysis, nitrogen sorption, electron microscopy, and UV-vis diffuse reflectance spectroscopy. The photocatalytic properties of those particles were evaluated by degradation of methyl orange under visible light irradiation. The BiOI/TiO₂ composites showed about 5 times higher photocatalytic performances than BiOI when the mole ratio of BiOI to TiO₂ was 75%. The remarkable enhancement in the visible light photocatalytic activities of the BiOI/TiO₂ heterostructures could be first attributed to the effective electron-hole separations at the interfaces of the two semiconductors, which facilitated the transfer of the photoinduced carriers. Meanwhile, the heterojunction formed between BiOI and TiO₂ would further retard the recombination of photoinduced carriers. In addition, high degree of crystallization, bimodal porous structure, relative large specific surface area, and appropriate energy band gap have great contribution to the enhancement of photocatalytic performance.     

Metal-to-insulator transition and electron-hole puddle formation in disordered graphene nanoribbons

The experimentally observed metal-to-insulator transition in hydrogenated graphene is numerically confirmed for actual sized graphene samples and realistic impurity concentrations. The eigenstates of our tight-binding model with substitutional disorder corroborate the formation of electron-hole?puddles with characteristic length scales comparable to the ones found in experiments. The puddles cause charge inhomogeneities and tend to suppress Anderson localization. Even though, monitoring the charge carrier quantum dynamics and performing a finite-size scaling of the local density of states distribution, we find strong evidence for the existence of localized states in graphene nanoribbons with short-range but also correlated long-range disorder.     

SnO2量子点/石墨烯复合结构的合成及其光催化性能研究

本文以SnCl₄·5H₂O和氧化石墨烯为先驱物, 乙醇水溶液为溶剂, 采用一种简单的水热法一步合成了具有可见光催化活性的SnO₂量子点(约3–5 nm)与石墨烯复合结构, 利用透射电子显微镜(TEM), 高分辨透射电子显微镜(HRTEM), X射线衍射仪(XRD), 傅里叶变换红外光谱(FT-IR)等技术对其结构进行了表征, 利用紫外可见吸收光谱(UV-vis)分析了其光学性能, 罗丹明-B染料为目标降解物研究了SnO₂量子点/石墨烯复合结构可见光催化性能. 结果表明: 与纯SnO₂、纯石墨烯相比, 复合结构显示出了很高的可见光催化活性. 通过对其结构进行分析, 我们提出了SnO₂量子点/石墨烯复合结构的形成机制及其可见光催化活性机理.     

BiOCl1-xIx及BiOBr1-xIx固体溶液的制备、表征及性能研究

在太阳光照射下,利用半导体光催化去除污染物是最绿色、有效的方法之一,其核心问题是获得高效光催化剂。目前研究最多的光催化剂是TiO₂和ZnO等,但由于其禁带宽度大故不能充分利用太阳光,从而限制了其实际使用。除了对TiO₂等改性以改进其可见光催化活性外,开发其他材料作为光催化剂也是解决的重要途径。铋基化合物半导体由于原材料丰富、种类多、太阳光响应性好及优良的光催化活性而成为重要研究对象。其中卤氧铋系化合物[BiOX, X=Cl, Br, I]由于层状结构特点而具有良好的光催化活性,但单独使用时光催化效率较低。研究表明,BiOX间能通过形成固体溶液(即彼此呈分子分散的固体混合物)进一步改善其光催化降解污染物的能力。本文利用低温湿化学法,以Bi₂O₃为铋源,在醋酸溶液中加入一定比例的KI/KBr或KI/KCl水溶液,室温下反应0.5 h,分别得到片状结构的BiOCl_1-xI_x和BiOBr_1-xI_x固体溶液。X射线衍射(X-ray diffraction, XRD)分析结果表明,所合成的BiOCl_1-xI_x和BiOBr_1-xI_x样品结晶性良好,且能在x=0～1的范围内形成固体溶液。透射电子显微镜(transmission electron microscope, TEM)测得所制备的固体溶液呈不规则的薄片状。X射线光电子能谱(X-ray photoelectron spectroscopy, XPS)测试进一步证明了其表面元素组成及化学状态。紫外-可见漫反射光谱(diffuse reflectance spectroscopy, DRS)分析表明,随着碘元素含量的增加,固体溶液的吸收边界发生红移、禁带宽度减小,故可见光吸收能力增强、产生的载流子数目将增加。在可见光激发下对甲基橙(methyl orange, MO)降解的光催化性能研究表明,BiOCl_0.25I_0.75及BiOBr_0.25I_0.75拥有最高的光催化活性。循环实验表明,BiOCl_0.25I_0.75及BiOBr_0.25I_0.75都具有较高稳定性。光催化机理研究发现,这些卤氧铋样品光催化降解MO过程中的活性物种主要为空穴和超氧离子自由基。结合其能带结构,认为固体溶液的形成不但增加了可见光吸收能力,而且调变了其能带结构,相对于BiOI而言,固体溶液的形成降低了价带电位,提高了导带电位,因而增强了光生电子的还原能力及空穴的氧化能力,故催化性能提高。该工作的创新之处在于：采用的固体溶液制备方法,避免了高温水热法或加入表面活性剂等,而且所制备的BiOCl_1-xI_x和BiOBr_1-xI_x固体溶液,尤其是BiOCl_0.25I_0.75和BiOBr_0.25I_0.75,在可见光激发下对MO具有良好的降解能力,且催化剂的重复使用及稳定性良好,有望在环境治理中得到应用。     

Roles of BiOCl(001) in face-to-faced BiOI(010)/BiOCl(001) heterojunction

In order to have an insight into the internal electric field (IEF) of BiOCl(001), we design a novel wide-spectrum responsive BiOI(010)/BiOCl(001) heterojunction composite by a facile method. The system could shield the photocatalysis of BiOCl(001) under visible light due to its large E_g (3.41 eV), thus specifying role of the BiOCl(001) in BiOI(010)/BiOCl(001). The XRD and TEM results show that the composites exhibit a coexistence of both tetragonal BiOI(010) and BiOCl(001) phases. The as-prepared BiOI(010)/BiOCl(001) samples exhibit higher BET surface area than those of BiOI(010) and BiOCl(001). The UV, visible, and simulated sunlight photocatalytic activities of composites for methyl orange (MO) were greatly enhanced compared to either pure BiOI(010) or BiOCl(001). Especially, under the visible light, an enhancement of photocatalytic activity (MO, acid fuchsin) was found for BiOI(010)/BiOCl(001), suggesting an IEF of BiOCl(001) plays a key role on the photo-generated carrier separation of BiOI(010). Specifying the IEF role of BiOCl(001) in BiOI(010)/BiOCl(001) is expected to inspire the further exploration, developing efficient photocatalysts with potential applications.     

A facile in situ solvothermal method for two-dimensional layered g-C<Subscript>3</Subscript>N<Subscript>4</Subscript>/SnS<Subscript>2</Subscript> p-n heterojunction composites with efficient visible-light photocatalytic activity

To overcome the fast recombination rate of electron-hole pairs of individual SnS₂, p-n heterojunction g-C₃N₄/SnS₂ composites were fabricated as high-efficiency visible-light photocatalyst to photodegradate the organic dye MB. The morphologies, structures, compositions, and photocatalytic properties were characterized. The SnS₂ shows two-dimensional layer structure with an average thickness of 20 nm and diameter size of about 2 μm, and the g-C₃N₄ nanoflakes were uniformly deposited on the surface of SnS₂ nanosheets. In comparison with the bare g-C₃N₄ and SnS₂, the composites show improved photocatalytic activity under visible light, which is sensitive to the content of g-C₃N₄. In particular, the 15% g-C₃N₄/SnS₂ composites exhibit the highest photocatalytic activity and outstanding reusability, which can degrade 88.01% MB after only 1 h in the visible light (λ?>?420 nm) range. The g-C₃N₄/SnS₂ heterojunction composites show outstanding reusability after four times cycling experiments. The improved photocatalytic activities of composites are attributed to abundant active species, increased charge separation, and decreased electron-hole pair recombination, which originated from the large specific surface area and efficient interfacial transport of photo-induced charge carriers between SnS₂ and g-C₃N₄. These results suggest that the two-dimensional layered g-C₃N₄/SnS₂ p-n heterojunction composites are promised to be a high-efficiency visible-light photocatalyst.