提高TiO2(B)光解水制氫活性的理論研究.pdf

1、使用光催化技術(shù)來收獲太陽光并將太陽光轉(zhuǎn)化為可以儲(chǔ)存的化學(xué)能量載體(例如，氫氣)是一個(gè)很有前景且正飛速發(fā)展的研究課題。原則上，合適的帶隙和適當(dāng)?shù)膸н吘壩恢檬枪獯呋瘎┚哂凶銐蚋叩难趸€原能力以催化水分解的先決條件，此外，高傳輸系數(shù)和快速電荷載流子分離也是重要的影響因素，軌道特性和載流子遷移率在導(dǎo)帶最小值(CBM)和價(jià)帶最大值(VBM)處的差異非常有利于防止電子-空穴對(duì)重組，從而延長載流子壽命。自從A. Fujishima and K. Ho

2、nda首先公布了它們的水分解系統(tǒng)，已經(jīng)證明數(shù)百種新材料顯示出用于水分解的光催化活性，然而，這些材料吸收和轉(zhuǎn)換太陽光的能力仍然低于所需的10％光電轉(zhuǎn)換效率，因?yàn)閷拵逗?或帶邊緣位置并未對(duì)準(zhǔn)。雖然TiO2被認(rèn)為是商業(yè)光催化劑未來最有希望的候選者，但其寬帶隙仍然是導(dǎo)致可見光下的低量子效率的嚴(yán)重問題，阻礙了商業(yè)和工業(yè)中的應(yīng)用。
　　本文選擇青銅型TiO2即在TiO2族中的亞穩(wěn)態(tài)單斜晶多晶型TiO2（B），并基于第一性原理計(jì)算和集團(tuán)擴(kuò)展（

3、CE）形式的高通量方法來開展我們的研究。這兩種方法相結(jié)合被用來確定所選擇的 RMs（代表元素）中的哪些元素可以摻入到TiO2（B）中，以衡量其中摻雜劑可以代替Ti原子的程度，并研究產(chǎn)生新的有序結(jié)構(gòu)的可能性。使用蒙特卡羅（MC）模擬來研究青銅原型中摻雜生成有希望相的熱力學(xué)穩(wěn)定性。使用準(zhǔn)確的 HSE06方法計(jì)算穩(wěn)定相的電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)吸收以評(píng)價(jià)光電化學(xué)活性。通過第一性原理計(jì)算和CE預(yù)測(cè)系統(tǒng)地探索了十種代表性金屬（RM），包括貴金屬（Pt和Pd