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半导体光催化技术是应对全球性能源危机和环境污染的日益加重最有前景的技术之一。近30年来,人们对半导体光催化材料的研究和开发工作不断升温。与此同时,第一性原理计算,特别是基于密度泛函理论的第一性原理计算同分子动力学相结合,在材料设计、合成、模拟计算和诸多方面有着许多突破性进展,已成为计算材料学的重要基础和核心技术。
本文采用第一性原理平面波赝势方法计算了过渡金属元素Mo、La、Ni掺杂SrTiO3光催化材料的电子性质,研究分析了Mo、La或/和Ni掺杂对SrTiO3光催化材料电子结构和光学性质的影响以及这些影响发生的根源,为掺杂改性SrTiO3光催化材料提供了理论指导。
通过使用第一性原理平面波赝势方法,分别计算各个掺杂模型的原子驰豫、杂质形成能、电荷密度、能带结构和态密度,得出:
La掺杂SrTiO3光催化材料的杂质形成能是-1.0 eV,La杂质原子倾向于通过替换Sr原子而进入SrTiO3的晶格。La掺杂后的禁带宽度为3.3 eV。Ni掺杂SrTiO3光催化材料的的杂质形成能是8.3 eV,Ni原子倾向于替换Ti原子进入SrTiO3晶格。掺杂Ni后的SrTiO3光催化材料的禁带宽度分别为2.0 eV。La/Ni共掺杂SrTiO3光催化材料的杂质形成能是5.7 eV。共掺杂后的禁带宽度为2.1eV。La/Ni共掺杂SrTiO3光催化材料具有最高的光催化活性。
Mo掺杂SrTiO3光催化材料的杂质形成能是9.2 eV。Mo倾向于替换Ti原子进入SrTiO3的晶格。Mo掺杂后的SrTiO3光催化材料的禁带宽度分别为3.0eV。Mo掺杂使SrTiO3光催化材料的禁带宽度减小,能够拓宽材料的可见光吸收范围。