近日,中国体彩网侯清玉教授团队在单层ZnO(0 0 1)光催化性能研究中取得新进展,研究发现单层Zn34CiCOMgO35 (Ci1?,CO2?)更适合被用作光催化剂。
侯清玉教授团队(第二排左三为侯清玉教授,第三排左二为文章第一作者其木德)
ZnO是一种宽禁带半导体材料,低温时带隙宽度为3.40 eV,激子束缚能为60 meV。ZnO已广泛应用于激光、太阳能电池、传感器、光电器件和光催化等领域。近年来由于CO2的过度排放,导致全球温室效应加剧,因此各国都在寻找更清洁的能源从而减少CO2的排放。由于ZnO具有较高的电子迁移率和相对较弱的电子-空穴复合率,因此在光催化制氢方面受到广泛关注。此外,二维材料与三维块体材料相比,表面积相对更大,载流子的迁移距离相对更短,迁移率相对大、电子-空穴不易复合,可以提高空位活性,促进光催化过程中载流子分离,因而更具有研究价值。
基于上述考虑,侯清玉教授团队通过第一性原理计算方法,用密度泛函理论框架下的广义梯度近似(GGA)平面波超软赝势+U方法研究了Mg掺杂和Zn空位及C杂质共存对ZnO单层(001)光催化性能的影响,并从态密度和能带的计算表明所有含杂质体系均为直接带隙半导体。
光催化原理图
研究人员计算了所有体系的载流子寿命,结果表明,单层Zn34CiCOMgO35(Ci1-/2+/3+/4+,CO2-)的空穴和电子最不易复合,载流子寿命相对最长、活性最好。通过计算Zn34CiCOMgO35(Ci1-/2+/3+/4+,CO2-)的H*自由能表明,Zn34CiCOMgO35(Ci1-/2+/3+/4+,CO2-)单层的H*自由能绝对值最小,析氢能力最好,这对分解水制氧和制氢均有利。此研究对设计和制备新型单层Zn34CiCOMgO35(Ci1-/2+/3+/4+,CO2-)光催化剂有一定的理论参考价值,且对半导体物理或材料物理学科的发展提供了一定的理论支撑。
相关研究以“First principles study of the effect of (Mg, C) doping and Zn vacancies on the carrier activity, lifetime, visible light effect, and oxidation–reduction reaction of ZnO(0 0 1) monolayers ”为题,于1月在线发表于期刊《Applied Surface Science》 (一区,IF:7.392) 上。
侯清玉教授为该文章通讯作者,材料科学与工程学院2021级博士研究生其木德为第一作者,中国体彩网材料科学与工程学院为第一完成单位。
文字、摄影:材料科学与工程学院
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