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缺陷态对半导体材料电子结构和光催化活性影响的研究

已有 2448 次阅读 2018-2-9 15:16 |系统分类:论文交流

在纳米尺度范围下,材料的比表面大,表面失配和低配位原子必然存在。纳米材料表面缺陷类型十分丰富,包括表面原子失配、表面非晶化、表面杂质吸附、表面空位及复合空位等,这些缺陷对半导体材料的电子结构、光谱吸收及光生电子空穴的激发、迁移和复合的过程均有重要的影响。这些缺陷由于具有微区化,电子态密度极低特点,对于这些表面缺陷缺乏有效的研究手段,更谈不上有效控制。因此,目前纳米能源材料的研究与开发面临一个最大挑战便是如何有效的控制材料的缺陷类型、缺陷浓度及分布。


1.含有不同浓度氧空位的BiOCI纳米片的光吸收,能带结构以及在不同波长单色光下产氧的量子效率

近期北航郝维昌教授课题组,通过水热合成方法制备出含有不同浓度缺陷态的纳米BiOCl。通过理论和实验证明,其缺陷态的引入对于其在可见光的吸收和光生载流子的转移具有重要的影响,价带中的电子更容易被激发在新的缺陷能级上,从而使得光吸收范围得到扩展并加速了光生载流子的分离,从而有效地提高了材料的光催化性能。该结果发表在J. Mater. Chem. A(J. Mater. Chem. A ,2018, 6: 2193)

该课题组从2012年开始对半导体材料中的缺陷对电子结构影响和规律进行研究。在对亚稳相γ-Bi2O3材料中研究中发现,本征的氧空位对γ-Bi2O3材料的价带和导带组成有重要的影响。以此为理论基础论,提出了利用缺陷工程及具有“nS2孤对电子结构的S4+Se4+Te4+掺杂γ-Bi2O3材料获得高效光电转化材料的新策略并得到了实验验证(J. Phys. Chem. C 2012, 116: 1251)。另外,该课题组还对氢化处理黑色TiO2表面非晶层的形成和光吸收拓宽的物理起源进行了研究。(Dalton Trans. 2017,  46: 10694).   该课题组还对另一类重要本征缺陷内应力进行了系统的研究。该课题组首先通过第一性原理计算细致研究了应力对BiOCl材料的晶体结构、电子结构和化学键的影响。揭示了BiOX系列化合物在应变下电子结构变化的本质原因。发展了通过应变等对称性破缺手段调控铋氧卤化物材料电子结构手段,从而提高了材料的光能转换效率。这为Bi系光催化材料的设计提供了新思路(J. Phys. Chem. C 2016,120: 8589)。通过对实验反应条件的控制实现了对BiOBr纳米片内部应力的连续调节,且得到了具有不同的形状、内应力分布的BiOBr纳米片。系统研究了应力对材料的光催化性能的影响(ACS Appl. Mater. Interfaces 2015, 727592)。同时对于具有不同应力的纳米片进行分析表征,发现了应力不同的界面两边晶体结构的不一致会创造一个具有侧向异质结性质的赝异质结(2D Mater. 2017, 4: 025102)

论文发表:

Dandan Cui, LiangWang, Kang Xu, Long Ren,  Li Wang,  Youxing Yu, Yi Du, Weichang Hao* Band-gap engineering of BiOCl by oxygen vacanciesfor efficient photooxidation properties under visible-light irradiation Journalof Materials Chemistry A 2018, 6: 2193-2199




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