【摘 要】
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近年来,半导体光催化剂被广泛应用在环境治理方面,二氧化锡（SnO2）半导体作为一种环境友好型光催化材料,可以有效降解空气和水中的有机物,将其转化成CO2和H2O等无害物质。但由于较宽的带隙（Eg）导致吸收太阳光的能力受限,无法大面积推广应用,因此需要通过改性研究将SnO2对光的吸收拓展到可见-近红外（visible and near-infrared,Vis-NIR）光区域,并提高Vis-NIR光
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近年来,半导体光催化剂被广泛应用在环境治理方面,二氧化锡（SnO2）半导体作为一种环境友好型光催化材料,可以有效降解空气和水中的有机物,将其转化成CO2和H2O等无害物质。但由于较宽的带隙（Eg）导致吸收太阳光的能力受限,无法大面积推广应用,因此需要通过改性研究将SnO2对光的吸收拓展到可见-近红外（visible and near-infrared,Vis-NIR）光区域,并提高Vis-NIR光吸收占总光吸收的比例(the proportion of Vis-NIR light absorption in the total light absorption,PVNT)。研究发现,当半导体材料的尺寸趋于纳米量级时,会出现量子尺寸效应,使材料具有独特的光电性能。因此本文以此为背景,对SnO2的光电性能尺寸效应进行研究。本文基于第一性原理计算方法对SnO2的光电性能尺寸效应进行研究,计算了厚度范围为0.594～3.273nm完整、氧缺陷、钼（Molybdenum,Mo）掺杂和Mon（n=1,2,3,4）团簇修饰SnO2（110）表面模型的能带结构、电子态密度和吸收系数,分析了氧空位浓度和Mo掺杂浓度对SnO2光电性能的影响。结果表明,本征SnO2不吸收Vis-NIR光,只吸收紫外光;随着体系厚度增加,Eg逐渐减小,吸收带边红移,吸收峰的面积减小,表现出明显的尺寸效应。引入氧空位后,在禁带范围内产生了缺陷能级,电子可以从价带跃迁到缺陷能级或者从缺陷能级跃迁到导带,提高了SnO2对Vis-NIR光的吸收。随着体系内氧空位增多,PVNT逐渐增大,说明体系内引入氧空位会促进SnO2对Vis-NIR光的吸收。根据Mo掺杂和修饰SnO2（110）表面模型的计算结果进行分析,发现当体系内的部分Sn原子被替换成Mo原子后,在导带底产生了杂质能级,主要是被Mo 4d态轨道的电子占据。随着体系厚度增加,PVNT呈现先增大后减小的趋势,在1.933nm处达到最大值8.5%。当增加Mo掺杂浓度时,PVNT逐渐增大,说明增加Mo掺杂浓度会促进SnO2对Vis-NIR光的吸收,但提高效果不明显。对于Mo修饰SnO2（110）表面体系,在导带底下方产生了独立的杂质能级,PVNT值与体系厚度呈现正相关的关系,最大值达到20%。然后建立了五种Mon（n=2,3,4）团簇修饰SnO2（110）表面模型,发现随着Mo团簇尺寸增大,PVNT逐渐增大,Mo4直线型团簇修饰时最大,达到24.7%。与其他几种方式相比,Mo团簇修饰对促进SnO2的Vis-NIR光吸收最强。最后,本文进行Mo改性对SnO2光电性能影响的实验验证。通过制备不同Mo掺杂浓度的SnO2量子点,对样品进行高分辨率透射电子显微镜（high resolution transmission electron microscopy,HRTEM）、X射线衍射（X-ray diffraction,XRD）、X射线光电子能谱（X-ray photoelectron spectroscopy,XPS）、X射线能量色散谱（energy dispersive X-ray spectroscopy,EDS）表征。结果表明,SnO2量子点的尺寸约为5.2nm,Mo进入SnO2晶格内部,并且样品的实际掺杂浓度与理论掺杂浓度相近;对紫外-可见光谱分析发现掺杂浓度对可见-近红-外光吸收和Eg产生的影响与模拟计算的结果基本一致,证明本文第一性原理计算结论的可靠性。然后使用光化学反应仪实现了甲基橙的降解,随着掺杂浓度增加,降解效率先增大后减小,从整体看,与实验和计算得到的Eg呈负相关的关系。因此本文通过模拟计算为新型光催化材料的设计提供理论支撑。
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