铋掺杂纳米NaTaO3的结构和电子特性研究

论文摘要

氢能作为无污染的生态清洁能源,一直倍受各国科技工作者的关注。半导体光催化制氢是实现工业化、廉价制备氢气的重要手段,利用太阳能光解水制氢,则是一种“阳光经济”的理想方案。为了降低能耗,研究和开发高催化制氢活性半导体具有重要的理论意义和实用价值。NaTaO3体系具有ABO3的钙钛矿结构,在紫外光照射下产生氢及氧,是良好的光催化剂材料,因而已成为近年来国际上热点研究领域之一。纵观目前NaTaO3光催化研究,绝大多数的研究重点放在光催化剂改性,提高其使用性能和光利用效率上,导致重复性研究十分严重,而对其影响机制的研究也是猜想多于证据,对光催化剂性能起决定作用的结构和电子特性研究显得尤为不足。为此,本文围绕铋掺杂纳米NaTaO3的结构特性、光学特性、光催化和理论研究四个方面进行了深入的研究。获得了以下重要结论:1、采用X-射线粉末衍射（XRD）、透射电子显微镜（TEM）及高分辨透射电镜（HRTEM）对铋掺杂纳米NaTaO3进行了表征。实验结果表明,铋掺杂使NaTaO3的XRD（110）与（112）衍射峰向2θ小角度方向移动并出现宽化现象,导致NaTaO3发生晶格畸变,并对NaTaO3晶粒长大有抑制作用。基于XRD与HRTEM分析和理论模型的结构优化结果认为,铋掺杂离子在NaTaO3基体中存在如下两种形式:取代Ta5+离子进入NaTaO3晶格之中和以氧化物形式局部集聚在NaTaO3晶格内。2、采用UV-VIS和PL对铋掺杂纳米NaTaO3测定了其光学性质。实验结果表明,铋掺杂纳米NaTaO3的UV-VIS吸收边发生了红移,带隙变小,并且随着Bi掺杂浓度的增加能隙逐渐变小。Bi掺杂在荧光光谱中没有引起新的发射峰,但影响钽酸钠的发光强度。3、对NaTaO3和不同浓度Bi掺杂NaTaO3进行光降解实验,我们发现制备的纳米NaTaO3具有很高的光催化活性,同时随着Bi掺杂浓度的增加,NaTaO3的光催化活性受到影响。4、采用基于第一性原理的量化软件计算了铋掺杂纳米NaTaO3的电子结构。计算结果表明,铋的掺入使晶体的能带结构、态密度和电子性质都发生了变化。比较铋掺杂和纯NaTaO3晶体,发现导带下移,带隙变窄。同时,随着掺杂浓度的增加,带隙越小。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 世界能源状况
• 1.1.1 全球常规能源
• 1.1.2 新能源与可再生能源的开发与利用
• 1.1.2.1 太阳能的利用
• 1.1.2.2 风能发电
• 1.1.2.3 水能发电
• 1.1.2.4 生物质能的利用
• 1.1.2.5 海洋能的利用
• 1.1.3 节约常规能源
• 1.2 洁净新能源——氢能
• 1.2.1 氢储量丰富,资源价廉
• 1.2.2 氢性能优越,用途广泛
• 1.2.3 制备氢的主要方法
• 1.2.3.1 电解水制氢
• 1.2.3.2 热化学循环分解水制氢
• 1.2.3.3 化石燃料制氢
• 1.2.3.4 超临界水中生物质催化气化制氢
• 1.2.3.5 太阳能半导体光催化分解水制氢
• 1.3 半导体光催化剂研究现状
• 1.3.1 过渡金属氧化物系催化剂
• 1.3.2 复合半导体系催化剂
• 1.3.3 层状金属氧化物
• 1.3.4 光助络合催化剂
• 3的研究现状'>1.3.5 NaTaO₃的研究现状
• 1.4 本文的研究背景、研究内容、目标、方法以及创新点
• 1.4.1 本文的研究背景和立项依据
• 1.4.2 本论文的研究目的
• 1.4.3 本文的研究内容
• 1.4.4 本文的主要研究方法
• 1.4.5 本论文的研究特色与创新
• 第二章 实验药品、仪器及实验方法
• 2.1 实验药品
• 2.2 实验仪器
• 2.2.1 X-射线粉末衍射（XRD）
• 2.2.2 透射电子显微镜（TEM）
• 2.2.3 元素含量分析
• 2.2.4 紫外—可见漫反射光谱（UV-VIS）
• 2.2.5 荧光光谱（PL）
• 2.2.6 液相光催化性能测试—光降解亚甲蓝
• 2.3 水热法概述
• 3和Bi/NaTaO₃的水热合成、表征以及性能研究'>第三章 NaTaO₃和Bi/NaTaO₃的水热合成、表征以及性能研究
• 3.1 实验部分
• 3.1.1 试剂与仪器
• 3.1.2 样品制备
• 3.2 结果与讨论
• 3.2.1 X-射线粉末衍射（XRD）
• 3.2.2 透射电镜分析（TEM）
• 3.2.3 紫外—可见漫反射光谱（UV-VIS）
• 3的紫外-可见漫反射光谱'>3.2.3.1 NaTaO₃的紫外-可见漫反射光谱
• 3的紫外-可见漫反射光谱'>3.2.3.2 Bi/NaTaO₃的紫外-可见漫反射光谱
• 3.2.4 荧光光谱（PL）
• 3.2.5 光催化活性测试
• 3的光催化活性测试'>3.2.5.1 NaTaO₃的光催化活性测试
• 3的光催化活性测试'>3.2.5.2 Bi/NaTaO₃的光催化活性测试
• 3.3 小结
• 第四章 理论模拟方法
• 4.1 密度泛函理论简介
• 4.1.1 Kohn—Sham（沈吕九）方程
• 4.1.2 局域密度近似（Local Spin Density Approximation,LDA）
• 4.1.3 广义梯度近似（Generalized Gradient Approximation,GGA）
• 4.2 物理量的含义
• 4.2.1 能带结构
• 4.2.2 态密度
• 4.3 计算方法
• 4.3.1 计算软件介绍
• 4.3.2 程序运行的主要步骤
• 3电子结构的密度泛函计算'>第五章 Bi掺杂NaTaO₃电子结构的密度泛函计算
• 3晶体结构'>5.1 建立NaTaO₃晶体结构
• 5.2 计算细节
• 5.3 计算结果与讨论
• 3体相计算结果与讨论'>5.3.1 NaTaO₃体相计算结果与讨论
• 3晶胞的结构和能量'>5.3.1.1 NaTaO₃晶胞的结构和能量
• 3的能带结构图'>5.3.1.2 NaTaO₃的能带结构图
• 5.3.1.3 态密度图
• 5.3.2 Bi掺杂计算结果与讨论
• 5.3.2.1 建立模型和结构优化
• 5.3.2.2 能带结构图
• 5.3.2.3 态密度图
• 5.4 本章小结
• 第六章 总结
• 参考文献
• 致谢