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文献速读 J. Colloid Interf. Sci. ：基于晶格参数、能带和电荷分布的DFT排列设计CQDs/TiO2/WO3高性能光电阳极  题目 题目：The design of high performance photoanode of CQDs/TiO2/WO3 based on DFT alignment of lattice parameter and energy band, and charge distribution 基于晶格参数、能带和电荷分布的DFT排列设计CQDs/TiO2/WO3高性能光电阳极 关键词 关键词：DFT计算TiO2 / WO3异质结；异质外延生长；碳量子点；能级匹配 来源 出版年份：2021 来源：Journal of Colloid and Interface Science 课题组：上海交通大学环境科学与工程学院周保学课题组 研究背景 金属氧化物半导体利用光电催化（PEC）方法可有效地降解有机污染物和分解水制氢，是一种有前景的、可持续的太阳能转换策略，有利于解决日益严重的环境问题。然而，由于现有半导体材料限制，PEC工艺面临光腐蚀严重、电荷分离和转移效率低、反应动力学缓慢以及光吸收范围窄等问题。两个半导体的异质结可通过产生的内置电场来改善光稳定性或增强空穴电子对空间分离，克服半导体材料本身的固有缺点，提高光催化或PEC转换性能。另外，外延生长有利于晶格匹配材料。但是，现有的TiO2基异质结不能增强可见光的吸收。 研究出发点 碳量子点（CQDs）作为一种有前途的光电材料，具有生态友好、成本低、合成简单、化学惰性强和上转换光致发光等优点，可扩展可见光吸收范围。此外，CQDs可与一些金属氧化物半导体形成异质结，加速空穴向电极表面转移。因此，CQDs可作为一个超快电荷通道，提高电荷注入效率，并使起始电位发生阴极转移。 研究内容 基于晶格参数、能带和电荷分布的密度泛函理论（DFT）排列，设计并制备了CQDs/TiO2/WO3复合材料作为高性能光阳极，在1.23 V下将光电流密度增加到2.03 mA cm-2，将电荷分离效率提高到79.2%，电荷注入效率提高到70.4%，并增强了可见光吸收，具有更好的光稳定性和更低的孔-水界面电荷转移电阻。研究表明：WO3 (002)晶面与TiO2 (001)晶面之间的晶格失配小于3%且无悬空键时，更有利于在WO3上异质外延生长TiO2，从而改善WO3的光腐蚀，使TiO2具有高耐腐蚀性和稳定性；计算的价带偏移（VBO）为0.51 eV，由交错的带排列结构形成TiO2/WO3异质结的内置场，以抑制体电荷复合；CQDs的引入减小了带隙，从而增强了光收集，并且通过电荷密度差异促进了电荷转移动力学。  图1 （a）WO3常规胞格的俯视图；（b）2×2单元TiO2的俯视图；（c）TiO2/WO3异质结的模型；（d-e）WO3和TiO2的能带结构；（f）TiO2/WO3的能带偏移  图2 （a）CQDs/TiO2/WO3光阳极的制备过程；（b）WO3纳米板的SEM图像；（c）TiO2/WO3的SEM图像；（d-e）不同尺度TiO2/WO3的HRTEM图像；（f）CQDs的HRTEM图像；（g）CQDs/TiO2/WO3在HRTEM中的元素扫描  图3 理论计算的WO3、CQDs/WO3、TiO2/WO3和CQDs/TiO2/WO3的（a）光电流通量和积分电流密度、（b）表面注入效率、（c）整体分离效率、（d）100 mA cm-2下的电化学阻抗谱（EIS）Nyquist图、（e）强度调制光电流谱（IMPS）Nyquist图以及（f）瞬态光电流（TPC）曲线 主要结论 本文通过DFT理论计算揭示了外延异质结TiO2/WO3的晶格参数和能带结构的双重排列，以及引入CQDs后电子和光学性能的改善。根据计算结果，设计并制备出CQDs/TiO2/WO3光阳极，显着提高光电流密度至2.03 mA cm-2。此外，由于CQDs和TiO2协同效应，新型光阳极具有更好的光稳定性、更高的电荷分离和转移、增强的光吸收和快速的反应动力学。 文献链接： https:///10.1016/j.jcis.2021.05.086 |
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