双阴离子共掺杂SnS2纳米片光催化活性的理论研究

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由于能源危机和环境污染问题,近几十年来在材料科学领域,寻求和开发可持续且环境友好型清洁能源是科学研究者关注的焦点。氢气是理想的清洁能源之一,利用光催化分解水制氢是一种无污染且有效解决能源问题的重要途径之一。近年来,二维材料因为其表面积大能够为催化反应提供更多的反应位点、载流子迁移距离更短等优势成为材料科学领域研究的热点。其中,二硫化锡(SnS2)是一种低毒性、环境友好且地球含量丰富的半导体材料。目前,SnS2纳米片在实验上已经通过溶剂热技术被成功合成,但由于带隙较宽使得可见光响应较差并且带边位置不利于分解水的氧化还原反应等因素限制了SnS2纳米片的光催化性能。基于半导体离子掺杂是一种降低光催化剂带隙、调节能带结构以及扩展可见光吸收范围的有效途径,本文采用基于密度泛函理论的第一性原理计算,系统研究了通过阴离子单掺杂(N、P)和共掺杂(N–N、N–P和P–P)对SnS2纳米片的光催化活性的调控,从而设计出更高活性的光催化剂。主要的研究工作如下:(1)研究了所有阴离子单掺杂和共掺杂系统的缺陷形成能,结果表明所有掺杂体系的缺陷形成能随着S化学势的减小而减小,其中,P-P共掺杂体系在硫贫条件下具有最低的缺陷形成能。(2)研究了所有掺杂体系的电子结构,分析表明N、P单掺杂以及N–N、N–P共掺杂虽然能够有效地减小带隙,但是在带隙中引入了未占据的杂质态,其可以充当电子-空穴复合中心,从而增加了光生载流子的复合率并且降低了光催化效率。P–P共掺杂体系不仅能够有效地减小带隙,而且带隙中没有出现杂质态。(3)进一步研究了P–P共掺杂体系的带边位置和光学性质。结果表明虽然P–P(ii)共掺杂能够减小带隙,但是其价带顶位置比H2O/O2的氧化势低,导带底位置也比H+/H2的还原势低,因此该体系不利于光解水制氢。P–P(i)共掺杂不但具有合适的带隙,而且带边横跨水的氧化还原势,其克服了SnS2纳米片光催化活性低的缺陷。此外,P–P(i)共掺杂还具有较宽的可见光吸收范围。(4)探究掺杂浓度对P–P(i)共掺杂体系的缺陷形成能、电子结构、带边位置以及光学性质的影响。结果表明在更低掺杂浓度下,P–P(i)共掺杂的缺陷形成能和带隙的变化均很小,并且带隙中没有引入未占据的杂质态。此外,其仍具有合适的带边位置和较好的光学吸收行为。以上研究结果表明P–P(i)共掺杂是一种很有前景的可用于可见光催化分解水制氢的光催化剂。最后我们希望本文能够为实验研究者提供有一些有价值的信息,从而设计出高活性、高效率的光催化剂。
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