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可见光响应光催化剂K4Ce2Ta10O30、K4Ce2Nb10O30及其固溶体的电子结构
  • ISSN号:1000-6818
  • 期刊名称:《物理化学学报》
  • 时间:0
  • 分类:O641[理学—物理化学;理学—化学]
  • 作者机构:[1]上海交通大学机械与动力工程学院燃烧与环境技术研究中心,上海200030, [2]中国科学院地球化学研究所、环境地球化学国家重点实验室,贵阳550002, [3]中国科学院研究生院,北京100049
  • 相关基金:国家973重大基础研究项目(2003CB214500)资助
中文摘要:

基于密度泛函理论(DFT),采用平面波赝势(PWP)DA及广义梯度近似(GGA)方法,对可见光响应的光催化剂K4Ce2Ta10O30、K4Ce2Nb10O30及其固溶体进行电子结构的第一性原理计算.结果表明,光催化剂K4Ce2Ta10O30和K4Ce2Nb10O30的导带分别主要由Ta5d和Nb4d组成,处于高能级的电子未占据态的Ce饷其有很明显的重迭,但由于其高度局域特性,不能很好地参与光生电子在导带中的传导,从而对光催化活性的贡献很小;而其价带则由O2p与Ta5d(Nb4d)的杂化轨道组成,同时电子占据态的Ce4f对价带也有一定的贡献,各个电子轨道对能带结构的贡献决定了该系列可见光响应光催化剂的物理化学和光催化特性.固溶体系列中随着Nb含量的增加,其吸收光谱依次红移,带隙变窄,导带底变低,光生电子的还原能力降低.在同溶体K4Ce2Ta10-xNbxO30(x=2,5,8)中,由于Ce4f仇道对价带顶的贡献相对较小,固溶体的价带顶低于K4Ce2Ta10O30、K4Ce2Nb10O30的价带顶,光生空穴的氧化能力相对较强.该系列光催化剂的电子结构分析结果与光催化水分解的活性实验结果有很好的一致性.

英文摘要:

First principle calculation was carried out to study the electronic structures of photocatalysts K4Ce2Ta10O30,K4Ce2Nb10O30 and their solid solution compounds, which were all capable of responding to visible light, based on density functional theory (DFT) within plane-wave pesudopotential (PWP) and generalized gradient approximation (GGA) method. The calculation results indicated that conduction bands of K4Ce2Ta10O30 and K4Ce2Nb10O30 were mainly attributable to the Ta 5d and Nb 4d orbitals, respectively. Although the unoccupied Ce 4forbitals had overlapped at the bottom of the conduction band, they were less effective in transferring electrons and photocatalytic activities for their high localized nature, while their valence bands were composed of hybridization with the bonding of O 2p+Ta 5d (or Nb 4d) and occupied Ce 4f orbitals. The contribution of these orbitals to the energy bands affected the electronic structure of photocatalysts and gave rise to their differences in light absorption and photocatalytic activities. As for the solid solutions compounds of K4Ce2Ta10-xNbxO30 (x=2, 5, 8), their band gaps decreased with an increase of the x value resulting in a corresponding lower reducing ability to evolve H2. The valence band edges in solid solution compounds were lower than that of K4Ce2Ta10O30 and K4Ce2Nb10O30 for the little contribution from occupied Ce 4f. This consequently led to the higher oxidize ability. The results of the analysis of electronic structures were in good accordance with their experimental photocatalytic activities for water decomposition.

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期刊信息
  • 《物理化学学报》
  • 中国科技核心期刊
  • 主管单位:中国科学技术协会
  • 主办单位:北京大学化学与分子工程学院承办
  • 主编:刘忠范
  • 地址:北京大学化学楼
  • 邮编:100871
  • 邮箱:whxb@pku.edu.cn
  • 电话:010-62751724
  • 国际标准刊号:ISSN:1000-6818
  • 国内统一刊号:ISSN:11-1892/O6
  • 邮发代号:82-163
  • 获奖情况:
  • 中文核心期刊
  • 国内外数据库收录:
  • 俄罗斯文摘杂志,美国化学文摘(网络版),荷兰文摘与引文数据库,美国科学引文索引(扩展库),英国科学文摘数据库,日本日本科学技术振兴机构数据库,中国中国科技核心期刊,中国北大核心期刊(2004版),中国北大核心期刊(2008版),中国北大核心期刊(2011版),中国北大核心期刊(2014版),英国英国皇家化学学会文摘,中国北大核心期刊(2000版)
  • 被引量:24781