论文部分内容阅读
半导体光催化技术,因其利用太阳能实现对有机污染物的降解以及H2、CH4等化学能源的制备,成为解决能源危机及环境污染最有潜力的新技术之一。其中,构筑半导体异质结构,对于改善载流子传输、提升光催化效率具有至关重要的作用。目前,研究较多的光催化半导体异质结类型包括Ⅱ型和Z型两种。其中,Z型半导体异质结,因其在光催化过程中电子富集在还原能力更高的导带,空穴富集在氧化能力更高的价带,充分发掘了半导体的氧化还原能力,而备受人们关注。目前,针对于g-C3N4/β-Bi2O3异质结的探索,多数集中于光催化性能的提升和改善,而对于Ⅱ型和Z型异质结的形成转化机理以及其与光催化性能之间的关系,还尚不明确。本文拟以g-C3N4/β-Bi2O3异质结为研究对象,通过在g-C3N4、β-Bi2O3半导体中引入缺陷,探究缺陷对半导体能带结构及异质结类型的影响规律,进而达到异质结光催化性能的最优化,实现Z型异质结的可控制备。采用第一性原理计算方法,从理论上阐明氧空位的引入能够在β-Bi2O3价带顶引入受主缺陷能级,降低β-Bi2O3的带隙,并且,在一定浓度范围内,随氧空位浓度的增加,带隙的变化值越大。通过实验方法,控制氧化条件制备一系列具有不同浓度氧空位的β-Bi2O3-x。结果发现,升温速率为8℃/min对吸光性能的影响最为明显,有利于氧空位的引入;其中,β-Bi2O3(5/6)的带隙最小,光催化性能最优。采用第一性原理计算方法,从理论上表明氮空位的引入能够在其价带顶引入受主缺陷能级,降低g-C3N4的带隙,且氮空位的引入会降低其功函数,实现费米能级上移。通过实验制得一系列具有不同氮空位浓度的g-C3N4-y,DRS及Tauc曲线表明,氮空位的引入能够有效改善材料的能带结构,且吸光性能随着氮空位的浓度发生改变,有利于光催化性能的提升。采用第一性原理计算方法,计算了 g-C3N4/β-Bi2O3异质结的能带及电荷转移特性,结果表明为典型的Ⅱ型异质结,而通过将氮空位引入g-C3N4,调节g-C3N4与β-Bi2O3费米能级的相对大小,能够实现Ⅱ型异质结到Z型g-C3N4/β-Bi2O3异质结的可控转化。此外,通过实验制备了一系列g-C3N4/β-Bi2O3-x异质结。实验结果表明,相比于单纯的β-Bi2O3-x,其光催化性能提升了近8倍。