低维半导体材料光解水制氢性能

图书标准信息

• 作者 鞠林
• 出版社 科学技术文献出版社
• 出版时间 2023-03
• 版次 1
• ISBN 9787518991662
• 定价 58.00元
• 装帧 其他
• 开本 16开
• 纸张 胶版纸
• 页数 224页
• 字数 228千字

【内容简介】

近年来，伴随着工业快速发展和人口急剧膨胀，能源短缺和环境污染越发严重。面对这种严峻的形势，开发利用以太阳能为代表的清洁新能源已迫在眉睫。目前，通过半导体光催化分解水反应实现太阳能向清洁能源氢能的转化，被普遍认为是解决能源危机和环境危机的有效途径。光辐射在半导体上，当辐射的能量大于或相当于半导体的禁带宽度时，半导体内电子受激发从价带跃迁到导带，而空穴则留在价带，产生光生电子空穴对。在半导体内部经过复合之后，部分光生电子和光生空穴可以到达半导体的表面，再经历一次复合之后，在表面的不同区域，剩余的光生电子将水还原成氢气，剩余的光生空穴将水氧化成氧气。
  自1972年“本多藤岛效应”被发现以来，在过去的接近50年中，人们在实验和理论上对可作为分解水光催化剂的三维半导体材料进行了广泛的研究。目前，传统的三维光催化材料存在着诸如可见光利用率低、光生载流子复合率高、在光催化分解水反应中稳定性差等问题，使其不能满足工业生产的要求。近年来，由于具有更整洁、可控的表面，更大的比表面积，更多的活性位点和更短的载流子迁移距离等优点，低维（一维或者二维）半导体材料成为光催化领域里的热点材料。与此同时，如何对低维光催化材料的电子和光学性质进行调控，以提高光催化效率也成为研究热点。鉴于在实验中表征电极电解质界面的困难，理论模拟计算已成为深入了解反应中间产物、反应机制和最终产物的重要工具。
  笔者一直从事低维半导体催化性能的理论研究，在设计高性能低维光电催化材料以及对其催化性能调控等方面取得了一系列的研究成果，在Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc.、ACS Appl. Mater. Interfaces、J. Mater. Chem. A等国际著名学术期刊上以第一作者发表SCI收录论文22篇，主持国家级项目2项［国家自然科学基金青年项目（11804006），二维Janus结构过渡金属硫族化合物光催化分解水性能调控的理论研究；国家自然科学基金理论物理专项（11547176），钙钛矿钛酸铋钠 (100) 表面空位诱发d0磁性受吸附氧影响的理论研究］，省部级项目1项，地厅级项目3项。本书主要介绍以上这些在低维半导体材料光催化性能方面的理论模拟研究成果和前沿概述。笔者主要利用第一性原理中的密度泛函理论，系统地研究了该类材料的激子束缚能、带隙、带边电位、光学吸收谱、载流子迁移率等与光解水直接相关的性质，并通过施加应力、金属原子修饰、构建异质结等方式对其电子结构和光学性质进行调控，以改善其光催化性能。在本书撰写过程中，笔者参考了部分学术专著、科研论文以及网络资料，每一章后面都列出了参考文献。在此，笔者谨向原著者和相关出版社表示衷心感谢。在全书撰写过程中，得到了戴瑛、寇良志、马衍东、魏巍、马东伟等老师直接或者间接的支持，和李小习、刘博典、高雅洁、乔小娅等同学的热心帮助，本书出版还得到安阳师范学院的资助，以及科学技术文献出版社张丹编辑的鼓励和帮助，笔者在此表示衷心的感谢！鉴于笔者科研水平有限，书中可能存在一些纰漏，希望读者多包涵，以批评的眼光多提意见，以帮助笔者再版的时候加以修正。
  本书第三章至第十一章的每一章都是一个独立的工作，读者可以根据自己的兴趣直接阅读相应章节，不必拘泥于书中的顺序。另外，材料模拟计算发展如今已是一日千里，希望本书能起到抛砖引玉的作用，为该领域的初学者启蒙。

【作者简介】

鞠林，男，山东高密人，1987年6月生，中共党员，安阳师范学院特聘教授。以第一作者身份发表SCI收录论文23 篇。主持重量项目两项，省部级项目一项，地厅级项目两项。

【目录】

第一章 绪 论 1

1.1 半导体光催化分解水制氢 1

1.2 二维半导体材料光催化剂 2

1.2.1 二维半导体材料光催化剂现状 2

1.2.2 调控光催化性能的途径 4

1.3 模拟计算在光解水催化剂设计中的应用 7

参考文献 8

第二章 材料的第一性原理物性计算 13

2.1 密度泛函理论基本原理 13

2.1.1 密度泛函理论 13

2.1.2 交换相关能量泛函 15

2.1.3 VASP软件简介 16

2.2 物性计算 17

2.2.1 激子结合能和电偶极矩 17

2.2.2 带边电位 17

2.2.3 载流子迁移率 18

2.2.4 空位形成能 18

2.2.5 掺杂形成能 19

2.2.6 异质结形成能和成键能 19

2.2.7 太阳能转化成氢能效率 19

2.2.8 自由能差 20

参考文献 22

第三章 金原子吸附的氧化石墨烯光催化性能的理论研究 25

概述 25

3.1 研究背景 25

3.2 研究方法 27

3.3 研究结果与讨论 27

3.4 结论 35

参考文献 35

第四章 硫化镉纳米管光催化性能的理论研究 41

概述 41

4.1 研究背景 41

4.2 研究方法 42

4.3 研究结果与讨论 43

4.3.1 六角形平面CdS单层 43

4.3.2 CdS纳米管 45

4.3.3 CdS纳米管平面异质结 52

4.4 结论 55

参考文献 55

第五章 一维蓝磷纳米管光催化性能的理论研究 60

概述 60

5.1 研究背景 60

5.2 研究方法 62

5.3 研究结果与讨论 63

5.3.1 二维六角BP单层 63

5.3.2 蓝磷纳米管 66

5.4 结论 75

参考文献 76

第六章 二维异质结GeS/WS2作为“Z”型光催化材料的理论研究 82

概述 82

6.1 研究背景 82

6.2 研究方法 85

6.3 研究结果与讨论 86

6.3.1 GeS/WX2(X=O,S,Se,Te)vdW异质结的

电子结构 86

6.3.2 孤立的GeS和WS2单层的结构和电子特性 87

6.3.3 GeS/WS2异质结的结构和电子特性 89

6.3.4 GeS/WS2异质结的光催化分解水活性 92

6.3.5 GeS/WS2异质结的催化稳定性 95

6.4 结论 97

参考文献 97

第七章 gC3N4/MoS2分解水光催化剂中用于界面电荷转移的

金属高速通道 107

概述 107

7.1 研究背景 107

7.2 研究方法 109

7.3 研究结果与讨论 110

7.3.1 孤立的MoS2和gC3N4单层 110

7.3.2 gC3N4/MoS2范德华异质结 112

7.3.3 由合适的金属构建的界面高速电荷传输通道 116

7.4 结论 122

参考文献 122

第八章 Janus WSSe单层：一种优良的全解水光催化剂 128

概述 128

8.1 研究背景 128

8.2 计算方法 129

8.3 研究结果与讨论 130

8.3.1 WSSe单层的几何结构和电子结构 130

8.3.2 Janus WSSe单层的光催化性能 132

8.3.3 水分解的表面氧化还原反应 136

8.4 结论 144

参考文献 144

第九章 单组分Janus过渡金属二硫族化物基光催化分解水催化剂 150

概述 150

9.1 绪论  150

9.2 Janus TMDCs的实验性合成 152

9.3 水分子的吸附 153

9.4 太阳光的利用 155

9.5 电荷分离和传输 158

9.6 表面化学催化反应 160

9.7 结论和展望 161

参考文献 162

第十章 二维Janus vdW异质结材料光解水催化剂 168

概述 168

10.1 绪论 168

10.2 Janus异质结材料的合成和结构稳定性 170

10.3 Janus异质结材料的基本属性 171

10.3.1 电子结构 171

10.3.2 光学特性 174

10.4 Janus异质结材料在光催化全解水领域的应用 176

10.5 结论和展望 177

参考文献 180

第十一章 二维铁电材料AgBiP2Se6单层光解水催化性质的探索 192

概述 192

11.1 研究背景 192

11.2 计算方法 194

11.3 研究结果与讨论 194

11.3.1 几何结构、电子结构和光吸收 194

11.3.2 能带排列 199

11.3.3 能量转换效率 201

11.3.4 水分子吸附 202

11.3.5 氧化还原机理 204

11.4 结论 208

参考文献 209

附录 符号表 216