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InP-QD/TiO2异质结光裂解H2O的第一性原理研究

批准号:
21603275
项目类别:
青年科学基金项目
资助金额:
20.0 万元
负责人:
牛莽
依托单位:
学科分类:
化学模拟与应用
结题年份:
2019
批准年份:
2016
项目状态:
已结题
项目参与者:
张军、宋新祥、徐奔、李文、李嘉伟、李小琪

项目摘要

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项目成果

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中文摘要
半导体/TiO2异质结材料具有良好的可见光区的光催化活性,在光催化分解有机物、光裂解H2O制氢等领域受到广泛关注。然而,由于TiO2的导带能级很高,很难找到电子结构与之匹配的半导体光敏化剂与其构成高性能的半导体/TiO2异质结,制约了半导体/TiO2异质结光催化材料的发展。本项目拟选用InP量子点(InP-QD)替代传统的半导体光敏化材料,利用InP-QD的尺寸效应实现对InP-QD/TiO2异质结光催化性能的调控。采用密度泛函理论方法研究InP-QD/TiO2异质结的电子结构,探讨光生载流子的产生与分离的机理,揭示该体系光催化裂解H2O的反应过程。在此基础上,从理论上建立对半导体-QD/TiO2异质结材料光催化性能的评价标准,并预测新的半导体-QD/TiO2异质结材料体系。相关的研究成果为新型基于TiO2的异质结光催化材料的设计与制备提供理论指导。
英文摘要
Semiconductor/TiO2 heterojunctions present high photocatalytic activities under visible-light irradiation, and they are widely utilized in fields of solar energy conversion and environmental purification. However, because of the high conduction band level of TiO2, it is very difficult to find the proper semiconductor photo-sensitizer that has matched electronic structure in semiconductor/TiO2 heterojunctions. In this project, we use InP (quantum dot, QD) as the photo-sensitizer to modulate the photocatalytic activity of InP-QD/TiO2 heterojunction through the size effect of InP-QD. We perform density functional theory calculations to investigate the electronic structure of InP-QD/TiO2 heterojunction to reveal the mechanism of the generation and the separation of photoexcited carriers, and the process of photocatalytic H2O splitting on InP-QD/TiO2 heterojunction. As a result, criteria for the evaluation of the photocatalytic activity of semiconductor-QD/TiO2 heterojunctions will be proposed. It is expected that our theoretical results could provide useful information for the development of new TiO2-based heterojunction photocatalysts.
半导体/TiO2异质结材料具有良好的可见光区的光催化活性,在光催化分解有机物、光裂解H2O制氢等领域受到广泛关注。然而,由于TiO2的导带能级很高,很难找到电子结构与之匹配的半导体光敏化剂与其构成高性能的半导体/TiO2异质结,制约了半导体/TiO2异质结光催化材料的发展。在本项目中,我们采用密度泛函理论(DFT)计算发现笼状InP量子点(QDs)敏化的TiO2的是一种有效的异质结光催化材料,能够实现可见光区的光解水制氢。首先,我们对构建的六种现笼状InP量子点(InP-12、InP-16、InP-20、InP-24、InP-28和InP-36)进行了16-ps的第一原理分子动力学(FPMD)模拟。计算结果表明,这些InP量子点在室温(300 K)下是热力学稳定的。其次,我们计算了六种现笼状InP量子点的电子结构与光吸收性能,发现除了InP-16以外,InP-20、InP-24、InP-28和InP-36量子点约2.0 eV,适用于可见光的吸收。接下来,我们通过FPMD模拟得到了稳定的InP-20/TiO2异质结结构,电子结构计算结果表明,InP-20/TiO2异质结的电子结构呈现明显的II-型交错分布,可以防止光催化载流子的复合。最后,我们研究了InP-20/TiO2异质结光解水制氢的可能反应路径。结果发现,InP-20/TiO2的产氢能垒比纯TiO2低2.56 eV。我们的计算表明,InP 量子点敏化的锐钛矿TiO2是一种有效的可见光区光解水制氢催化剂。.综上所述,我们采用DFT方法研究了InP-QD/TiO2异质结的电子结构,探讨光生载流子的产生与分离的机理,揭示了该体系光催化裂解H2O的反应过程。在此基础上,从理论上建立了对半导体-QD/TiO2异质结材料光催化性能的评价标准,并预测了新的半导体-QD/TiO2异质结材料体系。相关的研究成果为新型基于TiO2的异质结光催化材料的设计与制备提供了理论指导。
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专利列表
Impact of diverse active sites on MoS2 catalyst: Competition on active site formation and selectivity of thiophene hydrodesulfurization reaction
不同活性位点对MoS2催化剂的影响:活性位点形成的竞争和噻吩加氢脱硫反应的选择性
DOI: 10.1016/j.mcat.2018.11.014
发表时间: 2019-02-01
期刊: MOLECULAR CATALYSIS
影响因子: 4.6
作者: [Guo, Chen, Zhang, Tian, Wu, Chi-Man Lawrence]
通讯作者: Wu, Chi-Man Lawrence
InP/TiO2 heterojunction for photoelectrochemical water splitting under visible-light
InP/TiO2异质结用于可见光下光电化学分解水
DOI: 10.1016/j.ijhydene.2020.02.094
发表时间: 2020-04-14
期刊: INTERNATIONAL JOURNAL OF HYDROGEN ENERGY
影响因子: 7.2
作者: [Niu, Mang, Cao, Dapeng, Liu, Chunzhao]
通讯作者: Liu, Chunzhao
DOI: 10.1021/acs.jpcc.7b08782
发表时间: 2017-11
期刊: Journal of Physical Chemistry C
影响因子: 3.7
作者: [M. Niu;Jun Zhang;D. Cao]
通讯作者: M. Niu;Jun Zhang;D. Cao
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