缺陷態對半導體材料電子結構和光催化活性影響的研究

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在納米尺度範圍下，材料的比表面大，表面失配和低配位原子必然存在。納米材料表面缺陷類型十分豐富，包括表面原子失配、表面非晶化、表面雜質吸附、表面空位及複合空位等，這些缺陷對半導體材料的電子結構、光譜吸收及光生電子空穴的激發、遷移和複合的過程均有重要的影響。這些缺陷由於具有微區化，電子態密度極低特點，對於這些表面缺陷缺乏有效的研究手段，更談不上有效控制。因此，目前納米能源材料的研究與開發面臨一個最大挑戰便是如何有效的控制材料的缺陷類型、缺陷濃度及分布。

圖1.含有不同濃度氧空位的BiOCI納米片的光吸收，能帶結構以及在不同波長單色光下產氧的量子效率。

近期北京航空航天大學郝維昌教授課題組通過水熱合成方法製備出含有不同濃度缺陷態的納米BiOCl。通過理論和實驗證明，其缺陷態的引入對於其在可見光的吸收和光生載流子的轉移具有重要的影響，價帶中的電子更容易被激發在新的缺陷能級上，從而使得光吸收範圍得到擴展並加速了光生載流子的分離，從而有效地提高了材料的光催化性能。該結果發表在J. Mater. Chem. A雜誌上。

該論文作者為：Dandan Cui, Liang Wang, Kang Xu, Long Ren, Li Wang, Youxing Yu, Yi Du, Weichang Hao*

Band-gap engineering of BiOCl by oxygen vacancies for efficient photooxidation properties under visible-light irradiation

J. Mater. Chem. A,2018,6, 2193-2199, DOI: 10.1039/C7TA09897A

郝維昌教授課題組簡介

郝維昌教授課題組從2012年開始對半導體材料中的缺陷對電子結構影響和規律進行研究。在對亞穩相γ-Bi2O3材料中研究中發現，本徵的氧空位對γ-Bi2O3材料的價帶和導帶組成有重要的影響。以此為理論基礎論，提出了利用缺陷工程及具有「nS2」孤對電子結構的S4+、Se4+、Te4+摻雜γ-Bi2O3材料獲得高效光電轉化材料的新策略並得到了實驗驗證（J. Phys. Chem. C,2012,116, 1251）。另外，該課題組還對氫化處理黑色TiO2表面非晶層的形成和光吸收拓寬的物理起源進行了研究（Dalton Trans.,2017,46, 10694）。該課題組還對另一類重要本徵缺陷內應力進行了系統的研究。該課題組首先通過第一性原理計算細緻研究了應力對BiOCl材料的晶體結構、電子結構和化學鍵的影響。揭示了BiOX系列化合物在應變下電子結構變化的本質原因。發展了通過應變等對稱性破缺手段調控鉍氧鹵化物材料電子結構手段，從而提高了材料的光能轉換效率。這為Bi系光催化材料的設計提供了新思路（J. Phys. Chem. C,2016,120, 8589）。通過對實驗反應條件的控制實現了對BiOBr納米片內部應力的連續調節，且得到了具有不同的形狀、內應力分布的BiOBr納米片。系統研究了應力對材料的光催化性能的影響（ACS Appl. Mater. Interfaces.,2015,7, 27592）。同時對於具有不同應力的納米片進行分析表徵，發現了應力不同的界面兩邊晶體結構的不一致會創造一個具有側向異質結性質的贗異質結（2D Mater.,2017,4, 025102）。

http://www.x-mol.com/university/faculty/40481

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