基于第一性原理的二维光解水催化剂的设计与模拟

发布时间：2024-02-04 20:14

　　开发清洁可再生能源对于解决目前的能源短缺和环境污染问题具有重大意义。氢气作为一种二次能源,具有燃烧热值高、环境友好、来源广泛等优点,被视为化石能源的理想替代能源。利用太阳光通过光催化反应将水分解为氢气和氧气为缓解能源危机和解决环境问题提供了一种有效的处理方案。然而,传统的氧化物、硫化物等三维光解水催化剂仍然面临着光生电子和空穴容易复合、可见光利用率低、带边位置无法满足分解水的氧化还原电位等问题。二维纳米材料因为具有独特的几何结构和电子学性质,被认为是构筑高效光解水催化剂的理想选择。随着理论计算方法的不断完善和计算水平的不断提高,不仅新材料的发现时间被大大缩短,人们还可以对其电子学结构进行较为准确的描述。因此,通过理论计算设计高效的二维光解水催化剂已经成为可能,有望为实验制备指明方向。在本论文中,我们利用密度泛函理论计算(DFT)设计了几种二维层状纳米材料,并系统的研究了它们的电学性质、光学性质以及光解水催化性能。主要的研究成果如下:(1)通过计算设计了一种具有α-As结构的二维GeTe单层材料。该材料具有较好的稳定性,并且可以由体相材料通过机械剥离的方法制备。GeTe单层材料具有满足光...

【文章页数】：113 页

【学位级别】：博士

【部分图文】：

图13光解水制氢的原理示意图ps}

??当半导体光催化剂被能量等于或大于其禁带宽度的外界光源照射时，其价子（ｅ〇会被激发跃迁至导带，同时在价带上留下空穴（ｈ＋），形成光生电子－空后，电子－空穴对进行分离，并从体相材料迁移到光催化剂表面的活性位点，传输到催化剂表面的光生电子和空穴与催化剂表面的Ｈ＋和Ｈ２０结合分别和氧....

图１．４几种半导体的带隙和带边位置与水的氧化还原电势关系图ｆ２＇??（２）光生电子－空穴的复合

子－空穴对在反应过程中容易复合。半导体光催化剂在受到足够能量的太阳光激发之??后，产生的电子－空穴对会迁移到材料表面。但是上述过程是在一个非常迅速且短暂??的时间尺度下进行。以Ｔｉ０２的光生电荷反应行为为例［３７，３８］，如图１．５所示，我们可??以看到光生电子和空穴在反应各个步....

图1.5TiOz诱导的光催化反应及相应的时间尺度I3}1

３）表面反应能垒??从热力学的角度考虑，水分解反应是一个能量上升的反应，即吸热反应，是非自??的反应。理论上讲，只要具有合适的带隙和能带边缘位置，在光解水催化剂上就可??自发进行光解水反应。水分解反应实际上是将两分子的水分解为一分子氧气和两分??氢气，该过程可以分为两个半反应。在....

图１．６光解水反应吉布斯自由能示意图［４４］

?ｆ??Ｉ?Ｉ??图１．５?Ｔｉ０２诱导的光催化反应及相应的时间尺度［３７］。??（３）表面反应能垒??从热力学的角度考虑，水分解反应是一个能量上升的反应，即吸热反应，是非自??发的反应。理论上讲，只要具有合适的带隙和能带边缘位置，在光解水催化剂上就可??以自发进行光解水反应。水....

本文编号：3895786