论文部分内容阅读
随着化石能源的不断消耗,能源短缺以及环境污染问题越来越严重,采用光电催化的方法实现太阳能利用和二氧化碳转化是解决上述问题的有效方法。半导体氧化物SnO2的电子迁移率较高、化学稳定性良好而且制备成本低廉,是实现太阳能利用和二氧化碳转化的关键材料。但是本征SnO2的带隙值较大,载流子复合率较高,限制了它在光电催化领域的应用。为了克服上述缺点,大量研究说明简单可控的元素掺杂方法可以实现对SnO2的改性,主要目标是对能带结构和载流子分离率进行调控,改性后的SnO2可以更好地应用于光电催化领域。为了改善SnO2的光电性能,本文通过施主-受主对以及双空穴辅助耦合两种掺杂方法对SnO2改性。采用理论计算和实验相结合的方法,首先通过第一性原理计算设计了（Sb,N）以及（C,S）共掺杂SnO2改性材料,考察了共掺杂材料的电子结构和光电性能,探讨了两种掺杂方法中掺杂剂的作用机制。同时,制备了不同比例的（Sb,N）以及（C,S）共掺杂SnO2材料,并进行光电性能测试。本文主要研究内容为:1.第一部分通过补偿的施主-受主对Sb和N对SnO2进行共掺杂改性。采用第一性原理计算系统考察了本征和（Sb,N）共掺SnO2的晶胞构型和电子结构。理论计算结果证明,Sb和N分别在导带底和价带顶引入新的能级,使SnO2带隙减小了0.865 eV。此外,Sb和N之间的电荷补偿效应可以提升体系载流子的分离率。基于第一性原理计算结果,采用水热法制备了本征和（Sb,N）共掺杂的SnO2电极并进行了表征和光电性能测试。实验结果表明,（Sb,N）共掺杂使SnO2的光电性能有显著提升,其中5%（Sb,N）共掺杂SnO2的光电性能最佳,此比例下获得了最大的瞬态光电流值（9μA/cm2）和最小的电化学阻抗。理论计算和实验结果表明,施主-受主对Sb和N的掺杂改善了SnO2的光电性能,可用于制备高活性SnO2基光电材料。2.第二部分选取了能够引入双空穴的掺杂对碳和硫对SnO2进行掺杂改性,采用第一性原理计算研究了本征和（C,S）共掺杂SnO2的晶胞构型和电子结构。理论计算结果证明,碳和硫原子之间的相互作用是由晶格畸变引起的。C和S在价带顶部引入新的能级,使带隙值减小了0.622 eV。此外,完全充满的能级可以抑制带电缺陷的形成,从而改善了SnO2的光电性能。同时,通过SnO2中掺杂剂的双空穴辅助耦合机制阐明了掺杂剂C与S的相互作用原理。同时,基于理论计算结果,制备了本征和不同比例的（C,S）共掺杂SnO2材料,并测试其光电性能。实验结果表明,（C,S）共掺杂使SnO2的光电性能有显著提升,其中5%（C,S）共掺杂SnO2的光电性能最佳,此比例下获得了最大的瞬态光电流值（6.8μA/cm2）和最小的电化学阻抗。该研究表明（C,S）共掺杂可以制备高活性SnO2基光电材料,也为其它同类半导体材料的改性研究提供了新思路。