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        Fe, Co, Ni 對(duì)NaNbO3的電子結(jié)構(gòu)與光催化性能影響的密度泛函理論研究

        2018-03-22 09:22:24周樹(shù)蘭韓曉東江向平
        陶瓷學(xué)報(bào) 2018年1期
        關(guān)鍵詞:價(jià)帶導(dǎo)帶禁帶

        周樹(shù)蘭 , 韓曉東 , 趙 顯 , 江向平

        (1. 景德鎮(zhèn)陶瓷大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,江西 景德鎮(zhèn) 333403;2. 山東大學(xué) 晶體材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東 濟(jì)南 250100)

        0 引 言

        近年來(lái), NaNbO3的光催化性能引起了研究者的廣泛關(guān)注[1]。NaNbO3在光催化解離水和CO2甲烷化方面具有很大的潛力[2,3]。然而NaNbO3的帶隙較寬,因而僅對(duì)紫外光響應(yīng),為了拓寬其光響應(yīng)范圍,實(shí)驗(yàn)和理論工作者開(kāi)展了大量研究[1,2,4-6]。本文的作者也開(kāi)展了非金屬N、F、C及Ir和 La等摻雜NaNbO3光催化性能的研究[7,8]。研究表明摻雜可以改善NaNbO3對(duì)太陽(yáng)光的響應(yīng)范圍。

        金屬摻雜可以有效的改善光催化劑的光催化性能[9-11]。然而至今為止,此方面得研究還很少。已有實(shí)驗(yàn)研究表明Fe摻雜可以促進(jìn)羅丹明的光解離[12]。Zou等人的研究表明Fe,CO,Ni等可以提供提高InTaO4的光催化活性[10]Umebayashi等的研究也表明Fe,CO,Ni對(duì)TiO2光催化性能的改善具有重要作用[13]。為了研究金屬摻雜對(duì)NaNbO3光催化性能的影響,本文將采用基于密度泛函理論的第一性原理方法來(lái)研究Fe,Co和Ni對(duì)NaNbO3(Fe-NaNbO3,Co-NaNbO3和Ni-NaNbO3) 的電子結(jié)構(gòu),從而為實(shí)驗(yàn)研究提供理論指導(dǎo)。

        1 計(jì)算方法

        計(jì)算采用的模型為NaNbO3Pbcm晶胞,如圖1所示,對(duì)NaNbO3,F(xiàn)e-NaNbO3, Co-NaNbO3和Ni-NaNbO3,M為Nb,F(xiàn)e,Co和Ni。本文采用基于密度泛函理論[14]的贗勢(shì)平面波方法研究金屬Fe,Co 和Ni對(duì)NaNbO3的電子結(jié)構(gòu)和光催化性能的影響。所有計(jì)算由Material studio 下的CASTEP模塊[15]完成。所有的計(jì)算都采用自旋極化的廣義梯度近似(GGA)[16],電子之間的交換關(guān)聯(lián)能采用PBE函數(shù)[17]來(lái)描述,參與計(jì)算的各原子的價(jià)電子組態(tài)分別為Na 2s22p63s1,Nb 4s24p64d45s1,O 2s22p4,F(xiàn)e 3d64s2,Co 3d74s2, Ni 3d84s2。所采用的贗勢(shì)為超軟贗勢(shì)[18],平面波的截?cái)嗄転?50 eV,自洽收斂標(biāo)準(zhǔn)為1×10-6eV/atom。第一布里淵區(qū)按7×7×3進(jìn)行分割,收斂條件為每個(gè)原子的能量變化在1×10-5eV以內(nèi),原子最大受力不超過(guò)0.03 eV/ ?,最大壓力不超過(guò)0.05 Gpa,最大位移不超過(guò)0.001 ?。在優(yōu)化晶胞結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上再進(jìn)一步計(jì)算電子結(jié)構(gòu)。

        圖1 NaNbO3,F(xiàn)e-NaNbO3,Co-NaNbO3和Ni-NaNbO3的超胞模型。其M分別表示Nb, Fe,Co和NiFig.1 The supercell of NaNbO3, Fe-NaNbO3, Co-NaNbO3 and Ni-NaNbO3. Here M corresponding to Nb, Fe, Co and Ni, respectively

        2 結(jié)果與討論

        2.1 晶體結(jié)構(gòu)

        表1為優(yōu)化得到的NaNbO3、Fe-NaNbO3、Co-NaNbO3和Ni-NaNbO3的晶胞參數(shù)。由表可知Fe,Co,Ni摻雜NaNbO3后晶胞體積變小,這是由于Fe,Co,Ni的離子半徑小于Nb的離子半徑造成。表2為優(yōu)化得到的Nb-O, Fe-O, Co-O 和Ni-O鍵長(zhǎng)及鍵布居數(shù)。計(jì)算結(jié)果表明Fe,Co和Ni取代Nb后鍵長(zhǎng)變短,這與Fe, Co 和Ni的離子半徑比Nb的離子半徑小相一致。另一方面,取代后鍵布居數(shù)變小,這說(shuō)明Fe-O,Co-O和Ni-O的共價(jià)鍵強(qiáng)度比Nb-O鍵弱。這是由于Fe,Co和Ni的價(jià)電子數(shù)比Nb的價(jià)電子數(shù)小所造成。因此,F(xiàn)e,Co和Ni摻雜NaNbO3使得其晶格發(fā)生畸變,這將使得其電子結(jié)構(gòu)發(fā)生改變,進(jìn)而影響其光催化性能。

        2.2 電子結(jié)構(gòu)

        2.2.1 能帶結(jié)構(gòu)

        圖2為NaNbO3和Fe,Co及Ni摻雜NaNbO3的能帶結(jié)構(gòu)。計(jì)算得到的純NaNbO3的帶隙為2.35 eV,比實(shí)驗(yàn)值小很多,這是由密度泛函理論的固有缺陷所造成的。 Fe-NaNbO3帶隙為2.09 eV, Co-NaNbO3的帶隙為2.12 eV, Ni-NaNbO3帶隙為2.21 eV,可見(jiàn)金屬摻雜使得NaNbO3的帶隙略有減小。由圖1可知Fe, Co和Ni摻雜都在NaNbO3的禁帶中引入了新的能級(jí),其中Fe-NaNbO3的帶隙間能級(jí)位于導(dǎo)帶下面1.06 eV, Co-NaNO3的帶隙間能級(jí) 位于導(dǎo)帶下方0.51 eV,Ni-NaNbO3的帶隙間能級(jí)位于導(dǎo)帶下方0.55 eV,這些能級(jí)將為電子從價(jià)帶到導(dǎo)帶的躍遷提供橋梁,從而使得電子吸收光譜發(fā)生紅移,對(duì)太陽(yáng)光的光響應(yīng)范圍增大,提高NaNbO3光催化活性。

        表1 優(yōu)化得到的NaNbO3及Fe-NaNbO3, Co-NaNbO3和 Ni-NaNbO3的晶胞參數(shù)Tab.1 The optimized lattice parameter of NaNbO3, Fe-NaNbO3, Co-NaNbO3 and Ni-NaNbO3

        表2 優(yōu)化得到的M-O鍵長(zhǎng)和布居數(shù)Tab.2 The optimized M-O bond lengths of NaNbO3, Fe-NaNbO3, Co-NaNbO3 and Ni-NaNbO3. M is Nb, Fe, Co and Ni for NaNbO3,Fe-NaNbO3, Co-NaNbO3 and Ni-NaNbO3, respectively.

        圖2 純NaNbO3與Fe,Co和Ni摻雜NaNbO3的能帶結(jié)構(gòu)Fig.2 Band structure of pure NaNbO3 and Fe, Co and Ni doped NaNbO3

        2.2.2 態(tài)密度

        為了更好的對(duì)電子結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,我們計(jì)算了NaNbO3和Fe-NaNbO3,Co-NaNbO3及Ni-NaNbO3的總態(tài)密度和分波態(tài)密度。由于Na對(duì)價(jià)帶和導(dǎo)帶的貢獻(xiàn)很小,因此在圖中并未給出Na的分波態(tài)密度。

        圖3為純NaNbO3的態(tài)密度圖。顯然,其價(jià)帶主要由O 2p軌道構(gòu)成,并包含部分Nb 4d軌道,導(dǎo)帶主要由Nb 4d軌道構(gòu)成。因此NaNbO3的電子吸收光譜主要由O 2p電子到導(dǎo)帶的躍遷所決定。

        由圖4可知,F(xiàn)e-NaNbO3的價(jià)帶主要由O 2p, Nb 4d和Fe 3d軌道構(gòu)成,且O2p軌道在價(jià)帶的最頂部;Fe-NaNbO3的導(dǎo)帶主要由Fe 3d, Nb 4d和O2p構(gòu)成,且Fe 3d 在NaNbO3禁帶中。 因此,F(xiàn)e-NaNbO3的電子吸收光譜主要由 O 2p 電子到導(dǎo)帶的躍遷構(gòu)成。 禁帶中的 Fe 3d 能級(jí)可以作為O 2p 電子躍遷的橋梁,從而使得Fe-NaNbO3對(duì)可見(jiàn)光響應(yīng)。

        圖3 純NaNbO3的態(tài)密度圖Fig.3 The density of states of pure NaNbO3

        圖4 Fe-NaNbO3的態(tài)密度圖Fig.4 Density of states of Fe-NaNbO3

        圖5 Co-NaNbO3的態(tài)密度圖Fig.5 Density of states of Co-NaNbO3

        圖5為Co-NaNbO3的態(tài)密度圖。由圖可知,Co-NaNbO3的價(jià)帶主要由 O 2p, Nb 4d 和 Co 3d 軌道構(gòu)成,且O 2p 和 Co 3d軌道同時(shí)構(gòu)成了價(jià)帶的最頂部;Co-NaNbO3的導(dǎo)帶主要由 Co 3d,Nb 4d 和O 2p 軌道構(gòu)成。Co-NaNbO3的電子吸收光譜主要由價(jià)帶的 O 2p和 Co 3d 電子到導(dǎo)帶的躍遷所引起的。Co 3d軌道的橋梁作用將使得電子吸收光譜發(fā)生紅移,而且與Fe 3d引入的帶隙間能級(jí)相比,Co 3d軌道所引入的能級(jí)分布較寬,因而更有利于電子躍遷,從而提高NaNbO3的光催化活性。

        圖6 Co-NaNbO3的態(tài)密度圖Fig.6 Density of states of Co-NaNbO3

        圖6為Ni-NaNbO3的態(tài)密度圖。由圖可知,Ni-NaNbO3的價(jià)帶主要由 O 2p, Nb 4d和 Ni 3d 構(gòu)成。其中 O 2p和 Ni 3d 共同構(gòu)成了價(jià)帶的最頂部。Ni-NaNbO3的導(dǎo)帶主要有 Nb 4d 和 O2p構(gòu)成,Ni 3d 在禁帶中。因此與Co-NaNbO3類似,Ni-NaNbO3的電子吸收譜是由價(jià)帶中的 O 2p和Ni 3d電子到導(dǎo)帶的躍遷引起的。Ni的引入同樣在禁帶中形成的中間能級(jí),從而使電子光譜發(fā)生紅移。同樣Ni 3d的分散性也較強(qiáng),這對(duì)于光催化性能的提高非常有利。

        綜合分析比較 NaNbO3,F(xiàn)e-NaNbO3,Co-NaNbO3和Ni-NaNbO3的能帶結(jié)構(gòu)和態(tài)密度可以發(fā)現(xiàn),金屬的引入可以形成中間能級(jí),從而使得電子吸收光譜可能對(duì)可見(jiàn)光響應(yīng)。對(duì)Fe-NabO3和來(lái)說(shuō), Fe和的引入的中間能級(jí)局域性較強(qiáng),且利導(dǎo)帶較遠(yuǎn),因而有可能成為電子的復(fù)合中心,降低催化效率。Co-NaNbO3和Ni-NaNbO3禁帶中的能級(jí)具有很強(qiáng)的分散性,這不僅可以使得電子吸收對(duì)可見(jiàn)光譜響應(yīng),而且降低了電子復(fù)合的幾率,因此Co和Ni的引入將會(huì)大大改善NaNbO3的光催化效率。

        3 結(jié) 論

        本文采用密度泛函理論方法研究了Fe,Co 和Ni對(duì)NaNbO3的電子結(jié)構(gòu)與光催化性能的影響,研究表明 Fe,Co和Ni的引入可以在禁帶中形成新的中間能級(jí),作為電子躍遷的橋梁從而使得電子吸收對(duì)可見(jiàn)光響應(yīng),而且 Co和Ni引入的中間能級(jí)具有很強(qiáng)的分散性,這有利電子躍遷,提高NaNbO3的催化效率。然而 Fe引入的中間能級(jí)的局域性較強(qiáng)有可能成為電子復(fù)合中心,降低催化效率。

        [1] MAEDA K. Photocatalytic water splitting using semiconductor particles∶ history and recent developments [J]. Journal of Photochemistry and Photobiology C∶ Photochemistry Reviews,2011, 12∶ 237-268.

        [2] SHI H, LI X, WANG D, et al. NaNbO3 nanostructures∶ Facile synthesis, characterization, and their photocatalytic properties [J].Catalysis letters, 2009, 132∶ 205-212.

        [3] SAITO K, KUDO A. Niobium-complex-based syntheses of sodium niobate nanowires possessing superior photocatalytic properties [J]. Inorganic chemistry, 2010, 49∶ 2017-2019.

        [4] MODAK B, MODAK P, GHOSH S K. Improving visible light photocatalytic activity of NaNbO3∶ A DFT based investigation[J]. RSC Advances, 2016, 6∶ 90188-90196.

        [5] SHI H, LAN B, ZHANG C, et al. Effects of nonmetal doping on electronic structures of NaNbO3based on hybrid density functional calculation [J]. Modern Physics Letters B, 2016, 30∶1650350.

        [6] SHI H, LI X, IWAI H, et al. 2-propanol photodegradation over nitrogen-doped NaNbO3powders under visible-light irradiation[J]. Journal of Physics and Chemistry of Solids, 2009, 70∶ 931-935.

        [7] 韓曉東, 周樹(shù)蘭, 汪和平, 等. Ir、La單摻雜和Ir+La共摻雜對(duì)NaNbO3電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)影響的第一性原理研究 [J]. 陶瓷學(xué)報(bào), 2016, 37∶ 30-34.HAN X D, ZHOU S L, WANG H P, et al. Journal of Ceramics,2016, 37∶ 30-34.

        [8] 韓曉東, 周樹(shù)蘭, 趙顯, 等. F摻雜、N摻雜和F+N共摻雜NaNbO3的電子結(jié)構(gòu)和光催化性能的第一性原理研究 [J]. 陶瓷學(xué)報(bào), 2017, 38(4)∶ 511-517.HAN X D, ZHOU S L, ZHAO X, et al. Journal of Ceramics,2017, 38(4)∶ 511-517.

        [9] ZHOU X, SHI J, LI C. Effect of metal doping on electronic structure and visible light absorption of SrTiO3and NaTaO3(Metal = Mn, Fe, and Co) [J]. The Journal of Physical Chemistry C, 2011, 115∶ 8305-8311.

        [10] ZOU Z, YE J, SAYAMA K, et al. Photocatalytic hydrogen and oxygen formation under visible light irradiation with M-doped InTaO4(M = Mn, Fe, Co, Ni and Cu) photocatalysts [J]. Journal of Photochemistry and Photobiology A∶ Chemistry, 2002, 148∶65-69.

        [11] SHI H, WANG T, CHEN J, et al. Photoreduction of carbon dioxide over NaNbO3nanostructured photocatalysts [J].Catalysis letters, 2011, 141∶ 525-530.

        [12] 崔素珍, 楊漢培, 孫慧華, 等. Fe對(duì)NaNbO3的晶格摻雜和同步異質(zhì)結(jié)改性及其光催化性能 [J]. 化學(xué)學(xué)報(bào), 2016, 74∶ 995-1002.CUI S Z, YANG H P, SUN H H, et al. Acta Chimica Sinica,2016, 74∶ 995-1002.

        [13] UMEBAYASHI T, YAMAKI T, ITOH H, et al. Analysis of electronic structures of 3d transition metal-doped TiO2based on band calculations [J]. Journal of Physics and Chemistry of Solids, 2002, 63∶ 1909-1920.

        [14] KOHN W, SHAM L J. Phys. Rev., 1965, 140∶ A1133.

        [15] CLARK S J, SEGALL M D, PICKARD C J, et al. First principles methods using CASTEP [J]. Zeitschrift für Kristallographie, 2005, 220∶ 567.

        [16] PERDEW J P, WANG Y. Accurate and simple analytic representation of the electron-gas correlation energy [J]. Phys.Rev. B, 1992, 45∶ 13244.

        [17] PERDEW J P, BURKE K, ERNZERHOF M. Phys. Rev. Lett.,1996 77∶ 3865.

        [18] WHITE J A, BIRD D M. Implementation of gradient-corrected exchange-correlation potentials in Car-Parrinello total-energy calculations [J]. Phys. Rev. B, 1994, 50∶ 4954.

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