新型近紅外光催化材料Cu2(OH)PO4電子結(jié)構(gòu)和相關(guān)性質(zhì)的理論研究.pdf

1、環(huán)境污染和能源危機成為制約社會發(fā)展和人類生存的兩大難題。因此，科研工作者試圖開發(fā)和探索新型無污染的可再生資源用來解決上述問題。其中，光催化技術(shù)因其潛在的優(yōu)勢，諸如可以將地球上最為豐富的資源之一太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能以及可以用來降解有機污染物等，受到了越來越多的關(guān)注。傳統(tǒng)的半導(dǎo)體光催化材料二氧化鈦(TiO2)和鈦酸鍶(SrTiO3)具有成本低、無毒、高的化學(xué)穩(wěn)定性以及不產(chǎn)生二次污染等特征，成為光催化研究領(lǐng)域中最為矚目的材料。這些光催化材料不僅

2、可以在光照下分解水制氫而且還具有很強的光氧化降解有機污染物的能力。然而，經(jīng)過研究人們發(fā)現(xiàn)這些傳統(tǒng)的半導(dǎo)體光催化材料通常具有較大的禁帶寬度，大多只能吸收占太陽光譜中約為5％的紫外光，限制了其對太陽能的利用率。因此，拓展傳統(tǒng)半導(dǎo)體光催化材料的光吸收范圍成為了近十幾年的研究熱點之一，在這一方面科研人員做了大量的研究工作。此外，尋找新型的具有廣譜吸收的光催化材料也是解決問題的有效辦法之一。
　　最近，關(guān)于新型光催化材料的探索研究取得了很大

3、的進展，人們陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了一些具有可見光吸收的光催化材料。與此同時，對具有近紅外光響應(yīng)的光催化材料的探索研究也取得了很大的突破，我們課題組在實驗上首次發(fā)現(xiàn)羥基磷酸銅(Cu2(OH)PO4)在近紅外光的照射下可以光催化降解有機污染物。為了更深入地理解其光催化機理和對其光催化活性進行調(diào)控，我們從理論上對這種材料進行了系統(tǒng)的研究。
　　本文基于第一性原理密度泛函理論并結(jié)合鍵價理論和德拜公式，在理論上深入研究了羥基磷酸銅的有關(guān)光催化性質(zhì)。通過

4、理論計算分析，我們進一步闡釋了它的光催化微觀機制，總結(jié)了一些有價值的規(guī)律，提出了改善其光催化性能的可行方案，為之后的理論和實驗研究提供了一定的指導(dǎo)作用。本論文總共分為四章:
　　第一章，簡要介紹了半導(dǎo)體光催化的機理，概括敘述了羥基磷酸銅的研究背景和現(xiàn)狀。
　　第二章，介紹了密度泛函理論的基本框架、幾種交換關(guān)聯(lián)泛函的內(nèi)容和發(fā)展、計算中用到的基組和贗勢方法等以及本論文所使用的第一性原理計算軟件包。
　　第三章，從理論上系統(tǒng)

5、研究了羥基磷酸銅與近紅外光催化相關(guān)的性質(zhì)。具體地，本論文計算了羥基磷酸銅的能帶結(jié)構(gòu)、能帶分解電荷密度，進一步闡釋了它的近紅外光吸收機理以及光生載流子的分離轉(zhuǎn)移機制。計算了其能帶結(jié)構(gòu)中價帶頂和間隙能帶底附近的載流子有效質(zhì)量，并結(jié)合計算的三維能帶結(jié)構(gòu)對載流子在各個方向上的遷移能力進行了系統(tǒng)的對比。此外，我們還計算了它的晶體結(jié)構(gòu)中多面體單元的凈偶極矩，為改進其光催化活性以及設(shè)計新的光催化材料提供了一種可行性方案。
　　第四章，對本論文進