ZnO摻雜和MoS2表面修飾在太陽(yáng)能光催化分解水和太陽(yáng)能電池方面的理論研究.pdf

1、能源危機(jī)和環(huán)境污染是當(dāng)今世界面臨的兩大難題，太陽(yáng)能作為清潔、可再生能源受到了人們的廣泛關(guān)注。太陽(yáng)能光催化分解水制氫和太陽(yáng)能電池是有效開發(fā)和利用太陽(yáng)能的重要途徑。對(duì)于光催化分解水而言，半導(dǎo)體光催化劑是決定光催化活性的關(guān)鍵，理想的半導(dǎo)體光催化劑應(yīng)具有穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)、合適的帶隙大小和帶邊位置、能有效的抑制電子-空穴的復(fù)合等特點(diǎn)。然而，到目前為止，很少有半導(dǎo)體能同時(shí)滿足這些要求，尋找和合成理想的半導(dǎo)體光催化劑是太陽(yáng)能分解水制氫的熱門話題。在太陽(yáng)能電

2、池中，染料敏化太陽(yáng)能電池由于工藝簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜、轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點(diǎn)而受到人們的青睞。發(fā)展高性能的光陽(yáng)極半導(dǎo)體薄膜、光譜響應(yīng)寬穩(wěn)定性好的染料敏化劑是提高太陽(yáng)能染料敏化電池性能的重點(diǎn)。本文基于第一性原理密度泛函理論方法，研究了ZnO、MoS2的穩(wěn)定性、能帶結(jié)構(gòu)等性質(zhì)，通過摻雜和表面分子修飾的方法實(shí)現(xiàn)其在光催化制氫和染料敏化太陽(yáng)能電池中的應(yīng)用。本研究主要內(nèi)容包括：
　?、抨?陽(yáng)離子共摻雜調(diào)節(jié)ZnO能帶結(jié)構(gòu)以提高其光催化活性。ZnO由于帶隙

3、過寬，光吸收只局限在太陽(yáng)光的紫外區(qū)域。為了提高其光催化活性，需減少ZnO的帶隙，使其在可見光區(qū)域的光吸收增強(qiáng)。我們提出了陰-陽(yáng)離子共摻的方式，該方法不但可以有效減小ZnO的帶隙，而且可通過n型和p型摻雜物之間強(qiáng)庫(kù)侖作用增強(qiáng)體系的穩(wěn)定性。計(jì)算結(jié)果進(jìn)一步揭示，（Ti+C）補(bǔ)償共摻、(Sc+C)、（Cr+C）非補(bǔ)償共摻的ZnO由于具有合適的帶隙、少量的電子-空穴復(fù)合中心、與水的氧化還原勢(shì)相匹配的帶邊位置、增強(qiáng)的可見光光吸收和穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，被認(rèn)為

4、是理想的水分解制氫的光催化劑。
　?、频葍r(jià)陰-陽(yáng)離子共摻調(diào)節(jié)ZnO能帶結(jié)構(gòu)以提高其光催化活性。針對(duì)單摻雜和非補(bǔ)償共摻雜引入的雜質(zhì)帶可能導(dǎo)致形成新的復(fù)合中心不利于光催化活性的問題，我們進(jìn)一步提出了等價(jià)陰-陽(yáng)離子共摻ZnO的方法。計(jì)算結(jié)果表明，該方法不僅能有效降低ZnO的帶隙，而且不會(huì)形成深雜質(zhì)能級(jí)和部分占據(jù)能級(jí)，因此能有效抑制電子-空穴的復(fù)合。其中(Cd+Te)摻雜的ZnO由于具有合適帶隙和帶邊位置被認(rèn)為是較好的水分解制氫的光催化劑

5、。這種等價(jià)陰-陽(yáng)離子共摻的方法也可以用來調(diào)節(jié)其它寬帶隙半導(dǎo)體材料的能帶結(jié)構(gòu)。
　?、潜砻嫘揎椪{(diào)節(jié)單層MoS2的能帶結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)其光催化分解水制氫的活性。單層MoS2是帶隙為1.8 eV的直接帶隙半導(dǎo)體，能有效吸收太陽(yáng)光，但其導(dǎo)帶底位置低于制氫的還原勢(shì)，限制了MoS2在光催化分解水制氫方面的應(yīng)用。我們的研究表明，表面吸附極性分子能改變MoS2的帶邊位置，這主要來源于極性分子本身的電偶極矩和表面吸附所誘導(dǎo)的界面處的電偶極矩。改變表面分子

6、覆蓋率、對(duì)極性分子進(jìn)行功能化處理以及襯底作用都會(huì)對(duì)MoS2的帶邊位置產(chǎn)生一定影響。其中，三層C6H5CH2NH2/MoS2/graphene的異質(zhì)結(jié)構(gòu)能滿足光催化水分解的要求被認(rèn)為是理想的光催化劑。
　?、扔袡C(jī)分子修飾的MoS2在染料敏化太陽(yáng)能電池中的應(yīng)用。為了解MoS2在染料敏化太陽(yáng)能電池中應(yīng)用的可能性，我們選擇了合適的有機(jī)染料分子吸附在其表面。研究結(jié)果表明，苯基共軛的寡烯染料分子D1、D2和D3能有效吸附在MoS2表面，分子的