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.     

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.     

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.     

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.     

Ce掺杂Bi2O3 光催化剂的制备、表征及其可见光催化性能

采用水热-焙烧法制备了Ce掺杂的可见光响应的Bi₂O₃光催化剂（Ce-Bi₂O₃）。利用 XRD、FT-IR、XPS和 UV-Vis对不同Ce-Bi₂O₃样品进行了表征分析,并以光催化降解金橙Ⅱ溶液为探针反应,考察了Ce-Bi₂O₃的可见光催化性能。结果表明,Ce掺杂可以减小催化剂的禁带宽度,使光谱响应范围向可见光拓展。掺杂的Ce可取代Bi₂O₃晶格中部分Bi,形成Bi-O-Ce键,并生成了少量铈铋复合氧化物（Bi_7.38Ce_0.62O_12.31）,它们的存在有效地抑制了光生电子-空穴对的复合,有助于提高Bi₂O₃的可见光催化活性。但焙烧时间过长将导致Ce-Bi₂O₃催化剂的表面发生烧结现象,致使其催化活性降低。可见光照射下的金橙Ⅱ光催化降解实验表明,经2 h焙烧后得到的Ce/Bi的量比为0.5 的Ce-Bi₂O₃催化剂具有最佳的光催化活性。     

Nitrogen doped TiO2 nanoparticles decorated on graphene sheets for photocatalysis applications

Nitrogen doped TiO₂ nanoparticles decorated on graphene sheets are successfully synthesized by a low-temperature hydrothermal method. The resulting GR-N/TiO₂ composites are characterized by X-Ray diffraction (XRD), Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR), X-Ray photoelectron spectroscopy (XPS) and Transmission Electron Microscopy (TEM). The optical properties are studied using UV–visible diffuse reflectance spectroscopy (DRS), which confirms that the spectral responses of the composite catalysts are extended to the visible-light region and show a significant reduction in band gap energy from 3.18 to 2.64 eV. Photoluminescence emission spectra verify that GR-N/TiO₂ composites possess better charge separation capability than pure TiO₂. The photocatalytic activity is tested by degradation of methyl orange (MO) dye under visible light irradiation. The results demonstrate that GR-N/TiO₂ composites can effectively photodegrade MO, showing an impressive photocatalytic enhancement over pure TiO₂. The dramatically enhanced activity of composite photocatalysts can be attributed to great adsorption of dyes, enhanced visible light absorption and efficient charge separation and transfer processes. This work may provide new insights into the design of novel composite photocatalysts system with efficient visible light activity.