SnO2納米材料的晶面效應及層狀化合物能帶工程的理論研究.pdf

1、當今世界，科學技術迅速發(fā)展，人民的生活水平迅速提高，但生存環(huán)境卻越來越差。世界范圍內的水污染、大氣污染和能源短缺正嚴重影響著人類的未來。尋找到能夠解決這些問題的方法已經(jīng)引起廣泛關注。在尋找新型的、高效的、可持續(xù)的、無污染的新能源過程中，氫能源成為一個焦點，其中光解水成為一個前沿熱點研究課題。另一方面，為了解決日益嚴重的水污染問題，不僅需要去除水中重金屬離子，也需要尋找檢測水污染的新探測手段。隨著計算機技術的迅猛發(fā)展，基于密度泛函理論的第

2、一性原理計算變得越來越重要，它不僅可以解釋一些實驗觀測結果，也可以理論上預測或設計一些新型材料和器件。本碩士論文基于第一性原理方法對重金屬離子在納米結構不同晶面的吸附特性和新型二維材料的能帶結構進行較系統(tǒng)的理論計算和研究，由四章組成。
　　第一章，密度泛函理論，主要是介紹本論文涉及的電子密度泛函理論。在幾個近似和HK兩大定理之后引出KS方程，再簡要介紹了平面波基組、常用的三種密度泛函（LDA、GGA和HSE06）。本章最后對本文使

3、用的計算軟件VASP做了介紹。
　　第二章，納米氧化錫不同晶面對重金屬離子的吸附特性。目前重金屬離子污染越來越嚴重，尤其是水環(huán)境中的重金屬離子對人們的健康是一個很大的威脅，迫切需要新的快速檢測方法，而納米金屬氧化物是一種重要的候選體系。本章將理論計算工作緊密聯(lián)系實驗研究，從分子尺度上面解釋了SnO2(221)和(110)兩個不同晶面對于重金屬離子的電化學響應機理。實驗發(fā)現(xiàn)重金屬離子鎘(Cd)和鉛(Pb)的電化學響應效果在SnO2(

4、110)晶面上比在SnO2(221)晶面上要好，通過計算鉛離子和鎘離子在SnO2(221)和(110)晶面上的吸附能、電荷轉移、過渡態(tài)等，成功解釋了實驗結果。理論計算表明盡管重金屬離子在SnO2(221)晶面的吸附能大（吸附能力強），但由于SnO2(221)晶面的吸附能過大，表面不夠平整，不利于原子的遷移，導致重金屬離子在SnO2(221)面的電化學響應效果比SnO2(110)晶面差。尤其是，過渡態(tài)計算驗證了鎘和鉛離子在SnO2(221

5、)晶面的遷移比在SnO2(110)晶面上的遷移更困難。顯然，這種理論計算和實驗研究相結合方法成功地揭示了SnO2納米粒子不同晶面效應及其對重金屬離子電化學響應的微觀機理，對新型金屬氧化物納米結構的構筑和調控具有一定的指導意義。
　　第三章，g-C3N4/SnS2異質結的光解水機理研究。隨著化石能源的逐漸枯竭，環(huán)境污染的日益嚴重，清潔可再生能源正受到人們越來越多的關注，特別光解水所獲得的氫能源。作為能夠有效制備氫氣一類光催化劑，半導

6、體材料近期已引起了極大的研究興趣，其中熱點研究對象熱點之一就是半導體異質結，這是由于此類材料能夠有效實現(xiàn)光致載流子的有效分離和提升可見光的吸收性能。本章，我們設計出一種新型二維異質結構:將單層g-C3N4覆蓋在SnS2表面。第一性原理計算表明這種復合材料是屬于type-Ⅱ類型的異質結，其能帶位置與水的氧化還原電位匹配，是一類新型的光解水半導體材料。在異質結界面處，由于單層g-C3N4和單層SnS2之間的電荷轉移，而形成一個內建的極化電場