两种g—C3N4的异质结的第一性原理计算
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最 大位移 为 ０ ． ０ ０ ０ １ ｎ ｍ。Ｄ ｍｏ ｌ 。 计 算 ＨＯＭ０ 和 Ｌ Ｕ—
Ｍ Ｏ， 选 择 的是 Ｇ ＧＡ 和 Ｐ Ｂ Ｅ， ｃ ｏ ｒ ｅ ｔ ｒ ｅ ａ ｔ ｍｅ ｎ ｔ 选 择 的是
有效 中心势 ， 基 组 选 择 的是 Ｄ ＮＰ， 自洽 场 迭 代 最 大 步
数为 ５ ０ ０ 。
现 表现 与单 独 的 ｇ — Ｃ 。 Ｎ 与 Ｂ ｉ ＯＩ 相 比， 提高 的很 明显 ， 并 且 降解能 力 与入射 光波 长有 关 。
的 。Ｋ 点 选 择 为 ｇ ａ ｍｍａ ， 能 量 的 最 低 收 敛 精 度 为 １ ． ０ Ｘ １ ０ ～ ｅ Ｖ／ ａ ｔ ｏ ｍ， 受力的收敛精 度为 ０ ． ３ ｅ Ｖ／ ｎ ｍ，
Ｊ ｉ ａ ｎ ｇ等 合 成 了 ｇ — Ｃ ３ Ｎ４与 Ｃ ａ ｉ ｎ ２ Ｏ４ 之 间 的复 合 物 ， 发 现其 氢气 的产 生 率 为 １ ０ ２／ ， ｍｏ ｌ ／ （ ｇ・ｈ ） ， 是 单 独 的 Ｃ ａ ｉ ｎ Ｏ 的 ３倍 。Ｗａ ｎ ｇ等 合 成 了 ｇ － Ｃ 。 Ｎ 与 Ｂ ｉ ＯＩ 之 间 的复合 物 ， 并 研 究 了其 对 于 Ｃ Ｏ 的 降 解 能 力 ， 发
文献标 识 码 ： Ａ
ＤＯＩ ： １ ０ ． ３ ９ ６ ９ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ １ — ９ ７ ３ １ ． ２ ０ １ ７ ． ０ ９ ． ０ １ ８
０ 引 言
光催 化是 降解 污 染 物 的 一 种 新 的 有 效 手 段 ， 目前 已经 得 到 了广 泛 的应 用 。ｇ － Ｃ 。 Ｎ 是 一 种 非 金 属 光 催 化剂 ， 其 在实 验 和模拟 上被 认为 具有 较好 的催 化性 质 。 光催 化 其原理 是 产 生 了光 生 电 子 和空 穴 ， 电子 从 价 带 跃 迁到 导带 位置 ， 在 导带形 成光 生 电子 ， 在 价 带形 成 光
（ １ ． 常州大 学 石油 化工 学 院 ， 江 苏省 绿色催 化 材料 与技 术重 点实 验室 ， 江苏 常州 ２ １ ３ １ ６ ４ ；
２ ． 蚌埠 学 院 材 料与 化学 工程 学 院 ， 安徽 蚌埠 ２ ３ ３ ０ ３ ０ ； ３ ． 华 东 理工 大学 化学 与分 子工 程学 院 ， 上海 ２ ３ ０ ２ ３ ７ ） 摘 要 ： 运 用第一性 原 理方 法计 算 了两种 新型 的 ｇ — Ｃ 。 Ｎ 的异 质 结 ｇ — Ｃ 。 Ｎ ／ Ｔｉ Ｏ ｚ 和ｇ — Ｃ 。 Ｎ ／ Ｍｏ Ｓ ｚ ， 其 带 隙分 别 为１ ． ２ ８ １和 ０ ． ３ ４ ４ ｅ Ｖ， 两者的 带 隙相 比单层 ｇ — ｃ 。 Ｎ 有 所减 小 。 两者的 ＶＢ Ｍ 主要 由 Ｎ２ ｐ电子 构成 ， Ｃ Ｂ Ｍ 主要 由
ｕ ｌ ａ ｒ ｏ ｒ ｂ ｉ ｔ ａ １ ） 和 最 低 非 占据 轨 道 Ｌ ＵＭＯ（ １ ｏ ｗ ｕ ｎ ｏ ｃ ｃ ｕ — ｐ ｉ ｅ ｄ ｍｏ ｌ ｅ ｃ ｕ ｌ ａ ｒ ｏ ｒ ｂ ｉ ｔ ａ １ ） 的计算 是在 ｄ ｍｏ ｌ 。 模 块 上完 成
验等 测试 手段 表 明 两 种 复合 物 是 有 前 景 的 降 解 材 料 。
和 ｍ— Ｌ ａ ＶＯ ／ ｇ — Ｃ 。 Ｎ ， 通 过 荧 光 光谱 和光 电流 时 间实
择 的是 ＧＧＡ（ 梯 度密 度近 似 ） 和Ｐ Ｂ Ｅ， Ｋ 点 选择 为 ３ × ３ ×３ 。而 最高 占据 轨道 ＨＯＭＯ（ ｈ ｉ ｇ ｈ ｏ ｃ ｃ ｕ ｐ ｉ ｅ ｄ ｍｏ ｌ ｅ ｃ —
生 空穴 。利用 光 生 电子一 空穴 对 的 还原 和 氧 化性 能 ， 可 以光解 水制 备 Ｈ 和 Ｏ 。Ｃ ｈ ｅ ｎ等＿ １ 合成 了 ｇ — Ｃ 。 Ｎ 与
合降 低 了 ｇ ～ Ｃ 。 Ｎ 的 带 隙 。Ｗｕ等 研 究 了 Ｃ 。 Ｎ 双
层， 发 现 由于双 层耦 合 的影 响 ， 可 见光 吸 收相 比单层 有
Ａｇ掺杂 的 Ｔ ｉ Ｏ 之间 的 复合 微 球 ， 发 现 在可 见 光 的照
射下 ， 光 降解能 力得 到 了提 高 ， 比单 独 的 ｇ — Ｃ 。 Ｎ 和 Ａｇ
掺杂 的 Ｔｉ ０ 的 催 化 能 力 的 加 和 也 有 所 提 高 。 Ｈｅ 等＿ ２ 比较 了 两 种 ｇ — Ｃ 。 Ｎ 的 复 合 物 ｔ － Ｌ ａ ＶＯ ／ ｇ — Ｃ ｓ Ｎ
锨
文 章编 号 ： １ ０ ０ １ － ９ ７ ３ １ （ ２ ０ １ ７ ） Ｏ ９ — ０ ９ １ ０ ０ — ０ ５
材
料
２ ０ １ ７ 年第 ９ 期（ ４ ８ ） 卷
两种 ｇ — Ｃ ３ Ｎ４的异 质 结 的 第 一 性 原 理 计 算
赵 宇培 ， 朱 玉俊 ， 卢运祥。
了 明显 的提高 。 本文 设计 了两 种新 型 的 ｇ — Ｃ 。 Ｎ 的范德 华 异质 结 ，
通过 第一 性原 理计 算 ， 揭示 了其 不 同于 以往 的 新特 性 ，
对未 来 的异质 结合 成实 验有 着重 要 的启示 。
１ 计 算 细 节
能 带和 态 密 度 的计 算 都 是 在 ｍａ ｔ ｅ ｒ ｉ ａ ｌ ｓ ｓ ｔ ｕ ｄ ｉ ｏ软 件的 Ｃ ＡＳ Ｔ Ｅ Ｐ模 块 上完 成 的 ， 截断能为 ９ ０ ０ ｅ Ｖ， 选
Ｔｉ 或 Ｍｏ ３ ｄ电子 构成 ， 并且 两者 的 ＨＯＭＯ 和 Ｌ ＵＭＯ 都 出现 了层分 离， 使 得 电子 空Baidu Nhomakorabea穴复合速 度 下降 ， 提 高 了光催
化效率。
关键词： ｇ — Ｃ 。 Ｎ ；异质 结 ； 第一 性原 理 中图 分类 号 ： Ｏ６ ４ ３ ． ３ ； ＴＱ５ ９
Ｍ Ｏ， 选 择 的是 Ｇ ＧＡ 和 Ｐ Ｂ Ｅ， ｃ ｏ ｒ ｅ ｔ ｒ ｅ ａ ｔ ｍｅ ｎ ｔ 选 择 的是
有效 中心势 ， 基 组 选 择 的是 Ｄ ＮＰ， 自洽 场 迭 代 最 大 步
数为 ５ ０ ０ 。
现 表现 与单 独 的 ｇ — Ｃ 。 Ｎ 与 Ｂ ｉ ＯＩ 相 比， 提高 的很 明显 ， 并 且 降解能 力 与入射 光波 长有 关 。
的 。Ｋ 点 选 择 为 ｇ ａ ｍｍａ ， 能 量 的 最 低 收 敛 精 度 为 １ ． ０ Ｘ １ ０ ～ ｅ Ｖ／ ａ ｔ ｏ ｍ， 受力的收敛精 度为 ０ ． ３ ｅ Ｖ／ ｎ ｍ，
Ｊ ｉ ａ ｎ ｇ等 合 成 了 ｇ — Ｃ ３ Ｎ４与 Ｃ ａ ｉ ｎ ２ Ｏ４ 之 间 的复 合 物 ， 发 现其 氢气 的产 生 率 为 １ ０ ２／ ， ｍｏ ｌ ／ （ ｇ・ｈ ） ， 是 单 独 的 Ｃ ａ ｉ ｎ Ｏ 的 ３倍 。Ｗａ ｎ ｇ等 合 成 了 ｇ － Ｃ 。 Ｎ 与 Ｂ ｉ ＯＩ 之 间 的复合 物 ， 并 研 究 了其 对 于 Ｃ Ｏ 的 降 解 能 力 ， 发
文献标 识 码 ： Ａ
ＤＯＩ ： １ ０ ． ３ ９ ６ ９ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ １ — ９ ７ ３ １ ． ２ ０ １ ７ ． ０ ９ ． ０ １ ８
０ 引 言
光催 化是 降解 污 染 物 的 一 种 新 的 有 效 手 段 ， 目前 已经 得 到 了广 泛 的应 用 。ｇ － Ｃ 。 Ｎ 是 一 种 非 金 属 光 催 化剂 ， 其 在实 验 和模拟 上被 认为 具有 较好 的催 化性 质 。 光催 化 其原理 是 产 生 了光 生 电 子 和空 穴 ， 电子 从 价 带 跃 迁到 导带 位置 ， 在 导带形 成光 生 电子 ， 在 价 带形 成 光
（ １ ． 常州大 学 石油 化工 学 院 ， 江 苏省 绿色催 化 材料 与技 术重 点实 验室 ， 江苏 常州 ２ １ ３ １ ６ ４ ；
２ ． 蚌埠 学 院 材 料与 化学 工程 学 院 ， 安徽 蚌埠 ２ ３ ３ ０ ３ ０ ； ３ ． 华 东 理工 大学 化学 与分 子工 程学 院 ， 上海 ２ ３ ０ ２ ３ ７ ） 摘 要 ： 运 用第一性 原 理方 法计 算 了两种 新型 的 ｇ — Ｃ 。 Ｎ 的异 质 结 ｇ — Ｃ 。 Ｎ ／ Ｔｉ Ｏ ｚ 和ｇ — Ｃ 。 Ｎ ／ Ｍｏ Ｓ ｚ ， 其 带 隙分 别 为１ ． ２ ８ １和 ０ ． ３ ４ ４ ｅ Ｖ， 两者的 带 隙相 比单层 ｇ — ｃ 。 Ｎ 有 所减 小 。 两者的 ＶＢ Ｍ 主要 由 Ｎ２ ｐ电子 构成 ， Ｃ Ｂ Ｍ 主要 由
ｕ ｌ ａ ｒ ｏ ｒ ｂ ｉ ｔ ａ １ ） 和 最 低 非 占据 轨 道 Ｌ ＵＭＯ（ １ ｏ ｗ ｕ ｎ ｏ ｃ ｃ ｕ — ｐ ｉ ｅ ｄ ｍｏ ｌ ｅ ｃ ｕ ｌ ａ ｒ ｏ ｒ ｂ ｉ ｔ ａ １ ） 的计算 是在 ｄ ｍｏ ｌ 。 模 块 上完 成
验等 测试 手段 表 明 两 种 复合 物 是 有 前 景 的 降 解 材 料 。
和 ｍ— Ｌ ａ ＶＯ ／ ｇ — Ｃ 。 Ｎ ， 通 过 荧 光 光谱 和光 电流 时 间实
择 的是 ＧＧＡ（ 梯 度密 度近 似 ） 和Ｐ Ｂ Ｅ， Ｋ 点 选择 为 ３ × ３ ×３ 。而 最高 占据 轨道 ＨＯＭＯ（ ｈ ｉ ｇ ｈ ｏ ｃ ｃ ｕ ｐ ｉ ｅ ｄ ｍｏ ｌ ｅ ｃ —
生 空穴 。利用 光 生 电子一 空穴 对 的 还原 和 氧 化性 能 ， 可 以光解 水制 备 Ｈ 和 Ｏ 。Ｃ ｈ ｅ ｎ等＿ １ 合成 了 ｇ — Ｃ 。 Ｎ 与
合降 低 了 ｇ ～ Ｃ 。 Ｎ 的 带 隙 。Ｗｕ等 研 究 了 Ｃ 。 Ｎ 双
层， 发 现 由于双 层耦 合 的影 响 ， 可 见光 吸 收相 比单层 有
Ａｇ掺杂 的 Ｔ ｉ Ｏ 之间 的 复合 微 球 ， 发 现 在可 见 光 的照
射下 ， 光 降解能 力得 到 了提 高 ， 比单 独 的 ｇ — Ｃ 。 Ｎ 和 Ａｇ
掺杂 的 Ｔｉ ０ 的 催 化 能 力 的 加 和 也 有 所 提 高 。 Ｈｅ 等＿ ２ 比较 了 两 种 ｇ — Ｃ 。 Ｎ 的 复 合 物 ｔ － Ｌ ａ ＶＯ ／ ｇ — Ｃ ｓ Ｎ
锨
文 章编 号 ： １ ０ ０ １ － ９ ７ ３ １ （ ２ ０ １ ７ ） Ｏ ９ — ０ ９ １ ０ ０ — ０ ５
材
料
２ ０ １ ７ 年第 ９ 期（ ４ ８ ） 卷
两种 ｇ — Ｃ ３ Ｎ４的异 质 结 的 第 一 性 原 理 计 算
赵 宇培 ， 朱 玉俊 ， 卢运祥。
了 明显 的提高 。 本文 设计 了两 种新 型 的 ｇ — Ｃ 。 Ｎ 的范德 华 异质 结 ，
通过 第一 性原 理计 算 ， 揭示 了其 不 同于 以往 的 新特 性 ，
对未 来 的异质 结合 成实 验有 着重 要 的启示 。
１ 计 算 细 节
能 带和 态 密 度 的计 算 都 是 在 ｍａ ｔ ｅ ｒ ｉ ａ ｌ ｓ ｓ ｔ ｕ ｄ ｉ ｏ软 件的 Ｃ ＡＳ Ｔ Ｅ Ｐ模 块 上完 成 的 ， 截断能为 ９ ０ ０ ｅ Ｖ， 选
Ｔｉ 或 Ｍｏ ３ ｄ电子 构成 ， 并且 两者 的 ＨＯＭＯ 和 Ｌ ＵＭＯ 都 出现 了层分 离， 使 得 电子 空Baidu Nhomakorabea穴复合速 度 下降 ， 提 高 了光催
化效率。
关键词： ｇ — Ｃ 。 Ｎ ；异质 结 ； 第一 性原 理 中图 分类 号 ： Ｏ６ ４ ３ ． ３ ； ＴＱ５ ９