劉晨曦，潘多橋，龐國(guó)旺，史蕾倩，張麗麗，雷博程，趙旭才，黃以能，2

(1.伊犁師范大學(xué)，新疆凝聚態(tài)相變與微結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室，伊寧 835000；2.南京大學(xué)物理學(xué)院，固體微結(jié)構(gòu)物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210093)

0 引 言

在科技高速發(fā)展的今天，人類對(duì)于能源的開(kāi)采及環(huán)境的污染達(dá)到了一個(gè)前所未有的程度[1-2]。而太陽(yáng)光提供的能量約是全球消耗能量的10 000倍，成為了人類實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要基礎(chǔ)[3]。因此，研究者們長(zhǎng)期以來(lái)的一個(gè)研究目標(biāo)就是提高太陽(yáng)光的利用率。光催化技術(shù)就是利用太陽(yáng)光和催化劑共同作用，將光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的一種新技術(shù)，這種光催化技術(shù)在光解有害化學(xué)品、人工光合作用以及光催化分解水等各種領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[4-6]。其中，能作為半導(dǎo)體催化劑的材料有很多，如：TiO2[7]、CdS[8]、GaN[9]以及g-C3N4[10]等。因g-C3N4的原材料價(jià)廉易得、制備簡(jiǎn)單，且具有獨(dú)特的帶隙位置，在部分可見(jiàn)光下能夠完成光催化反應(yīng)，在理論和實(shí)驗(yàn)的研究上均受到了廣泛關(guān)注[11]。但是g-C3N4的結(jié)構(gòu)中存在空位且各原子的電負(fù)性不同會(huì)產(chǎn)生大量氫鍵，使得體系不易發(fā)生催化反應(yīng)[12]。近年來(lái)，為了改善上述缺陷，研究者們采用了摻雜[13]、表面改性[14]及異質(zhì)結(jié)[15]等多種方式進(jìn)行調(diào)控，發(fā)現(xiàn)異質(zhì)結(jié)的層間范德瓦耳斯作用能夠最大程度地保留材料自身的優(yōu)異性能，并且由于層間耦合作用可能還會(huì)出現(xiàn)更加優(yōu)異的物理性質(zhì)[16-17]。如：Xu等[18]通過(guò)溶劑剝離法獲得g-C3N4納米片，顯示出了適度的光催化活性，后采用靜電自組裝法合成Fe2O3/g-C3N4異質(zhì)結(jié)，發(fā)現(xiàn)構(gòu)建異質(zhì)結(jié)能夠極大地提高體系的光催化活性。Zhang等[19]采用水熱法制備了In2S3/g-C3N4復(fù)合材料。通過(guò)對(duì)光電流響應(yīng)的分析，發(fā)現(xiàn)與純In2S3和g-C3N4相比，In2S3/g-C3N4異質(zhì)結(jié)光催化降解甲苯的活性更高。Wu等[20]利用熱縮聚法將ZnS納米顆粒與g-C3N4制備成異質(zhì)結(jié)后，發(fā)現(xiàn)該異質(zhì)結(jié)能夠有效拓寬對(duì)太陽(yáng)光的響應(yīng)范圍，且ZnS/g-C3N4異質(zhì)結(jié)對(duì)放射性廢水中鈾的光催化還原活性約是g-C3N4的4.34倍。Ye等[21]采用機(jī)械混合和溶劑熱法成功合成了LaNiO3/g-C3N4納米復(fù)合光催化劑，發(fā)現(xiàn)LaNiO3/g-C3N4樣品光催化效率很高，是純LaNiO3納米材料的5倍。除此之外，還有許多研究小組對(duì)AgVO3/g-C3N4[22]、MoSe2/g-C3N4[23]、WS2/g-C3N4[24]及MoS2/g-C3N4[25]等異質(zhì)結(jié)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)構(gòu)建g-C3N4基異質(zhì)結(jié)的光催化效率均有明顯提高。

為了使g-C3N4材料的光催化性能能夠最大限度地提高，本研究嘗試選擇性能優(yōu)異的氮化物X(X=g-C3N4、AlN及GaN)與g-C3N4共同構(gòu)建異質(zhì)結(jié)，對(duì)以g-C3N4為基異質(zhì)結(jié)體系的穩(wěn)定性、電子結(jié)構(gòu)及光學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了計(jì)算，研究了X/g-C3N4異質(zhì)結(jié)能否改善g-C3N4本身的局限性，探討了X/g-C3N4異質(zhì)結(jié)的作用機(jī)理，以期能夠得到穩(wěn)定高效的光催化劑材料，為相關(guān)的實(shí)驗(yàn)制備提供理論參考。

1 計(jì)算方法與模型構(gòu)建

1.1 計(jì)算方法

本文利用Materials Studio 2017中的CASTEP模塊[26]，使用廣義梯度近似(GGA)下的Perdew-Burke-Ernzerhof(PBE)泛函方法描述電子交換關(guān)聯(lián)作用[27]。在計(jì)算過(guò)程中，采用了兩種含半經(jīng)驗(yàn)方法的Tkatchenko-Scheffler(TS)和Grimme方案來(lái)修正異質(zhì)結(jié)間的范德瓦耳斯力(vdW)[28]。本文幾何優(yōu)化后的具體參數(shù)如下：能量收斂精度(SCF)為2×10-6eV/atom；單原子受力小于0.5 eV/nm；內(nèi)應(yīng)力小于0.1 GPa，公差偏移量為0.000 2 nm。合適的平面波截?cái)嗄?Ecut)不僅可以獲得準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果還能節(jié)約計(jì)算資源，因此本研究對(duì)截?cái)嗄苓M(jìn)行了收斂性測(cè)試，選為500 eV；根據(jù)Monkhorst-Pack方案[29]選取的布里淵區(qū)K格點(diǎn)為3×3×1，所有計(jì)算均在倒易空間進(jìn)行。

1.2 模型構(gòu)建

本文研究的主要對(duì)象是三嗪環(huán)g-C3N4和氮化物X(X=g-C3N4、AlN及GaN)共同構(gòu)建的異質(zhì)結(jié)體系。體相g-C3N4屬六方晶系，空間群是P-6M2(No.187)，晶格參數(shù)為a=b=0.474 nm，c=0.672 nm，α=β=90°，γ=120°[30]。本研究首先對(duì)體相g-C3N4進(jìn)行了幾何優(yōu)化，然后沿著g-C3N4的(001)面進(jìn)行切割，獲得二維g-C3N4后擴(kuò)胞至2×2×1，最后根據(jù)晶格匹配情況，分別與單層g-C3N4(2×2×1)、AlN(3×3×1)及GaN(3×3×1)搭建異質(zhì)結(jié)，如圖1所示。最后，減小層間的耦合作用，在c軸上添加了2 nm的真空層。各原子的價(jià)電子組態(tài)分別為：C(2s22p2)，N(2s22p3)，Al(3s23p1)，Ga(4s24p1)。

圖1 晶體結(jié)構(gòu)俯視圖Fig.1 Top view of crystal structure

2 結(jié)果與討論

2.1 結(jié)構(gòu)與穩(wěn)定性

為了更好地修正X/g-C3N4(X=g-C3N4、AlN及GaN)異質(zhì)結(jié)間的相互作用力，本研究分別采用了TS和Grimme色散修正方法對(duì)X/g-C3N4異質(zhì)結(jié)的總能量進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果如表1所示。結(jié)果顯示，三種異質(zhì)結(jié)的總能量隨色散校正方法的變化趨勢(shì)沒(méi)有明顯變化，說(shuō)明計(jì)算結(jié)果在定性上是穩(wěn)健的。在兩種色散方法中，TS修正下X/g-C3N4異質(zhì)結(jié)的總能量均最低，因此，本研究選擇TS修正方法進(jìn)行后續(xù)工作。

表1 X/g-C3N4(X=g-C3N4、AlN及GaN)異質(zhì)結(jié)在TS和Grimme色散下的總能量Table 1 Total energy of X/g-C3N4 (X=g-C3N4, AlN and GaN) heterojunction under TS and Grimme dispersion

為了進(jìn)一步了解X/g-C3N4(X=g-C3N4、AlN及GaN)異質(zhì)結(jié)的晶格匹配情況，計(jì)算了X和g-C3N4之間的晶格失配率，設(shè)優(yōu)化后的平衡晶格常數(shù)是a′，單層g-C3N4和X的晶格常數(shù)分別是a1和a2，則晶格失配率[31]可定義為σ=(a2-a1)/a1。由表2可知，X/g-C3N4異質(zhì)結(jié)的晶格失配率均不超過(guò)0.9%，達(dá)到完全共格的條件。同時(shí)，本研究計(jì)算了異質(zhì)結(jié)的晶格失配能(Emismatch)[32]，可表示為：

Emismatch=E(g-C3N4)a′+E(X)a′-E(g-C3N4)a1-E(X)a2

(1)

式中：E(g-C3N4)a′和E(X)a′表示單層g-C3N4和X超胞晶格常數(shù)為a′時(shí)的總能量；E(g-C3N4)a1表示單層g-C3N4晶格常數(shù)為a1時(shí)的總能量；E(X)a2表示單層X(jué)晶格常數(shù)為a2時(shí)的總能量。據(jù)文獻(xiàn)[28]報(bào)道，晶格失配能的絕對(duì)值越低，異質(zhì)結(jié)的結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定。由表2可知，X/g-C3N4異質(zhì)結(jié)的晶格失配能分別為-238.2 meV/nm2、-373.5 meV/nm2和-246.1 meV/nm2，可見(jiàn)X/g-C3N4異質(zhì)結(jié)的穩(wěn)定性都很高。其中，g-C3N4/g-C3N4的晶格失配能絕對(duì)值最低，說(shuō)明該體系的穩(wěn)定性最高。

此外，本研究計(jì)算了X/g-C3N4(X=g-C3N4、AlN及GaN)三種異質(zhì)結(jié)的界面結(jié)合能。結(jié)合能(Ecoh)[24]可表示為:

Ecoh=ET(X/g-C3N4)-ET(g-C3N4)-ET(X)

(2)

式中:ET(X/g-C3N4)、ET(g-C3N4)及ET(X)分別表示X/g-C3N4異質(zhì)結(jié)、g-C3N4以及X的總能量。由文獻(xiàn)[24]可知，結(jié)合能越小意味著結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性越好。由表2可知，三種異質(zhì)結(jié)的結(jié)合能均為負(fù)值，說(shuō)明X與g-C3N4之間存在著一定的結(jié)合作用，使其成為了較為穩(wěn)定的異質(zhì)結(jié)。其中，g-C3N4/g-C3N4的結(jié)合能最小，可知該異質(zhì)結(jié)的界面結(jié)合最穩(wěn)定。

為了進(jìn)一步確認(rèn)層間是否有范德瓦耳斯作用力，在這里引入了范德瓦耳斯能對(duì)異質(zhì)結(jié)進(jìn)行定量描述。范德瓦耳斯能(ΔEvdW)[33]的大小由晶格失配能和結(jié)合能的絕對(duì)值之和表示，其公式為:

ΔEvdW=|ΔEmismatch|+|Ecoh|

(3)

可知X/g-C3N4(X=g-C3N4、AlN及GaN)的范德瓦耳斯能分別為748.9 meV/nm2、826.6 meV/nm2及653.3 meV/nm2，與Ma等[33]計(jì)算的范德瓦耳斯能十分接近，可推測(cè)在X/g-C3N4異質(zhì)結(jié)之間存在范德瓦耳斯力，表明X/g-C3N4屬于范德耳爾斯異質(zhì)結(jié)。

表2 X/g-C3N4(X=g-C3N4、AlN及GaN)異質(zhì)結(jié)的晶格匹配情況Table 2 Lattice matching of X/g-C3N4 (X=g-C3N4, AlN and GaN) heterojunction

2.2 電子結(jié)構(gòu)

為了探究異質(zhì)結(jié)的界面相互作用對(duì)電子結(jié)構(gòu)的影響，本研究計(jì)算了單層g-C3N4和X/g-C3N4(X=g-C3N4、AlN及GaN)異質(zhì)結(jié)的能帶圖，如圖2所示。為了便于比較，各體系均選取能量零點(diǎn)為費(fèi)米能級(jí)，沿布里淵區(qū)高對(duì)稱點(diǎn)G(0，0，0)、M(0，0.5，0.5)、K(-0.333，0.667，0)及G(0，0，0)觀察體系的能帶結(jié)構(gòu)。由于高能級(jí)不具備參考價(jià)值，主要研究的是費(fèi)米能級(jí)附近-4～4 eV的范圍。圖2(a)是單層g-C3N4的能帶結(jié)構(gòu)圖，可知單層g-C3N4的禁帶寬度為1.638 eV，屬于直接帶隙，與Ivanov等[34]計(jì)算的帶隙值1.62 eV相近，說(shuō)明本研究所用的計(jì)算方法合理。由圖2(b)～(d)可知，X/g-C3N4(X=g-C3N4、AlN及GaN)的帶隙分別為1.546 eV、1.519 eV及1.636 eV。與本征g-C3N4相比，X/g-C3N4異質(zhì)結(jié)的帶隙均發(fā)生了不同程度的減小且能級(jí)也變得密集，使得電子從價(jià)帶躍遷至導(dǎo)帶變得更加容易，增加了電子的遷移率，有利于提高體系的光催化活性，這與張琴等[35]的研究結(jié)果一致。而且，X/g-C3N4異質(zhì)結(jié)的躍遷方向仍屬于直接躍遷，能夠避免電子在躍遷時(shí)發(fā)生的弛豫過(guò)程，從能量利用的角度來(lái)說(shuō)，直接帶隙的材料對(duì)光的利用率更好一些。

圖2 能帶結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Energy band structure diagrams

綜上所述，與單層g-C3N4相比，X/g-C3N4異質(zhì)結(jié)的帶隙均有所減小且屬于直接帶隙，表明電子躍遷所需要的能量減少，有利于提高體系對(duì)可見(jiàn)光的響應(yīng)能力，使得體系的光催化活性增強(qiáng)。

為了進(jìn)一步探究X/g-C3N4(X=g-C3N4、AlN及GaN)異質(zhì)結(jié)的電子結(jié)構(gòu)，本文對(duì)比分析了g-C3N4以及X/g-C3N4體系的態(tài)密度圖，如圖3所示。圖3(a)為單層g-C3N4體系的態(tài)密度圖，費(fèi)米能級(jí)附近導(dǎo)帶主要是由C-2p及N-2p態(tài)貢獻(xiàn)，價(jià)帶主要是由N-2s和N-2p態(tài)貢獻(xiàn)；該體系的費(fèi)米能級(jí)略微穿過(guò)價(jià)帶，這主要是因?yàn)閱螌觛-C3N4是由體相g-C3N4沿(001)方向切割而成，使得體系的周期性勢(shì)場(chǎng)被破壞，在價(jià)帶頂?shù)牡胤接羞B續(xù)的能量分布，因此形成了帶尾效應(yīng)。圖3(b)是g-C3N4/g-C3N4異質(zhì)結(jié)的態(tài)密度圖，可以明顯觀察到構(gòu)建異質(zhì)結(jié)的兩層g-C3N4貢獻(xiàn)基本一致，不利于電子躍遷。圖3(c)是AlN/g-C3N4異質(zhì)結(jié)的態(tài)密度圖，可知AlN中N-2p軌道與g-C3N4中N-2p軌道之間有軌道重疊現(xiàn)象出現(xiàn)，由周鋒等[36]的研究可知，軌道重疊現(xiàn)象使體系的帶隙降低，表現(xiàn)出良好的光催化能力。因此，圖3(c)表明g-C3N4中N-2p軌道上激發(fā)態(tài)電子更容易躍遷至AlN上N-2p軌道，增加了電子的遷移率，能夠有效提高體系的光催化能力。圖3(d)是GaN/g-C3N4異質(zhì)結(jié)的態(tài)密度圖，發(fā)現(xiàn)該異質(zhì)結(jié)的導(dǎo)帶主要由g-C3N4貢獻(xiàn)，價(jià)帶主要由GaN及g-C3N4共同貢獻(xiàn)。與單層g-C3N4相比，GaN/g-C3N4的波峰和波谷均大幅提高，使得電子的躍遷變得更容易，導(dǎo)致電子遷移率增加，提高了體系的光催化性能。

圖3 態(tài)密度圖：(a)單層g-C3N4；(b)g-C3N4/g-C3N4；(c)AlN/g-C3N4；(d)GaN/g-C3N4Fig.3 Density of states diagrams: (a) single-layer g-C3N4; (b) g-C3N4/g-C3N4; (c) AlN/g-C3N4; (d) GaN/g-C3N4

綜上所述，與單層g-C3N4相比，X/g-C3N4(X=g-C3N4、AlN及GaN)異質(zhì)結(jié)的波峰和波谷均大幅提高，且出現(xiàn)了軌道雜化現(xiàn)象，使得處于激發(fā)態(tài)的電子數(shù)量增加，這可以使電子躍遷變得更為容易，可推測(cè)構(gòu)建異質(zhì)結(jié)能夠有效提高體系的光催化活性。

2.3 功函數(shù)

為了研究異質(zhì)結(jié)界面上的電荷轉(zhuǎn)移情況，計(jì)算了單層g-C3N4以及X/g-C3N4(X=g-C3N4、AlN及GaN)異質(zhì)結(jié)的表面功函數(shù)，如圖4所示。表面功函數(shù)(Φ)[37]是指電子從半導(dǎo)體的內(nèi)部逃逸到表面所需要的最低能量，如式(4)所示：

Φ=Evac-Ef

(4)

式中：Evac是真空能級(jí)；Ef是費(fèi)米能級(jí)。由圖4(a)可知，單層g-C3N4的功函數(shù)是4.383 eV。圖4(b)～(d)是X/g-C3N4(X=g-C3N4、AlN及GaN)異質(zhì)結(jié)的功函數(shù)，分別為4.377 eV、4.234 eV及4.231 eV。與單層g-C3N4相比，X/g-C3N4的功函數(shù)均有不同程度的減小，其中GaN/g-C3N4的功函數(shù)最小，說(shuō)明該體系受到太陽(yáng)光照射后，電子從內(nèi)部逃逸到半導(dǎo)體表面所需要的能量最小，電子躍遷是最易發(fā)生的。由圖4(b)可知，雖然g-C3N4/g-C3N4電子躍遷時(shí)所需能量較小，但界面間電勢(shì)差極小，可能會(huì)導(dǎo)致電子-空穴對(duì)的復(fù)合率升高。由圖4(c)和4(d)可知：由于AlN/g-C3N4和GaN/g-C3N4界面間電荷發(fā)生了重新分配，導(dǎo)致兩異質(zhì)結(jié)的界面都產(chǎn)生了電勢(shì)差。在AlN/g-C3N4內(nèi)部形成了從g-C3N4層指向AlN層的內(nèi)建電場(chǎng)；在GaN/g-C3N4內(nèi)部形成了從g-C3N4層指向GaN層的內(nèi)建電場(chǎng)。據(jù)文獻(xiàn)[38]報(bào)道，內(nèi)建電場(chǎng)能夠提高光生電子-空穴對(duì)的分離，可推測(cè)該異質(zhì)結(jié)界面間的光生電子-空穴對(duì)在內(nèi)建電場(chǎng)的作用下能夠更好地分離，這對(duì)載流子的遷移以及光催化能力的提高大有裨益。

圖4 功函數(shù)圖Fig.4 Work function diagrams

通過(guò)上述分析可知，異質(zhì)結(jié)的界面間有電荷的轉(zhuǎn)移，為了進(jìn)一步闡明異質(zhì)結(jié)間的電荷轉(zhuǎn)移的具體情況，計(jì)算了X/g-C3N4(X=g-C3N4、AlN及GaN)異質(zhì)結(jié)的最低未占據(jù)分子軌道(LUMO)和最高占據(jù)分子軌道(HOMO)，等值面設(shè)置為40 e/nm3，如圖5所示。LUMO上的電子能量最低，因此最易得電子；HOMO上的電子能量最高，所受束縛最小，最易失電子；面積越大，失(得)電子能力越強(qiáng)。由圖5(a)可知，在g-C3N4/g-C3N4中HOMO和LUMO同時(shí)存在于上層g-C3N4，表明電子易在上層g-C3N4復(fù)合，極大地降低了電子的遷移率，與上述分析一致。由圖5(b)和5(c)可知，AlN/g-C3N4異質(zhì)結(jié)的電子從AlN層流向g-C3N4層，形成了g-C3N4指向AlN的內(nèi)建電場(chǎng)；GaN/g-C3N4異質(zhì)結(jié)的電子從GaN層向g-C3N4層轉(zhuǎn)移，形成了g-C3N4指向GaN的內(nèi)建電場(chǎng)。在界面處形成了內(nèi)建電場(chǎng)，使得電子和空穴能夠有效分離，極大地降低了電子-空穴對(duì)的復(fù)合率[39]，可推測(cè)AlN/g-C3N4和GaN/g-C3N4異質(zhì)結(jié)能夠有效提高體系的光催化性能，這與功函數(shù)的結(jié)果分析一致。

圖5 LUMO和HOMO圖(紫色和綠色區(qū)域分別表示LUMO和HOMO)Fig.5 LUMO and HOMO diagrams (the purple and green areas represent LUMO and HOMO, respectively)

2.4 光學(xué)性質(zhì)

為了更進(jìn)一步分析構(gòu)建異質(zhì)結(jié)對(duì)光學(xué)性質(zhì)的影響，研究了單層g-C3N4以及X/g-C3N4(X=g-C3N4、AlN及GaN)異質(zhì)結(jié)的吸收光譜圖。從圖6可以看出，單層g-C3N4和X/g-C3N4(X=g-C3N4、AlN及GaN)異質(zhì)結(jié)的主峰分別為4.89 eV、4.52 eV、4.50 eV及4.42 eV，與單層g-C3N4相比，X/g-C3N4體系發(fā)生了不同程度的紅移，通過(guò)張麗麗等[40]的研究可知，紅移現(xiàn)象說(shuō)明該體系對(duì)光的響應(yīng)能力提高，可推測(cè)X/g-C3N4相較于單層g-C3N4體系對(duì)光的響應(yīng)能力均有所提高。同時(shí)，從圖6中的插圖可以看出，X/g-C3N4異質(zhì)結(jié)的吸收帶邊均向低能方向發(fā)生移動(dòng)，在低能區(qū)的吸收系數(shù)也明顯得到提高，由此可見(jiàn)，通過(guò)構(gòu)建X/g-C3N4異質(zhì)結(jié)能夠有效拓寬體系的光吸收范圍。其中，GaN/g-C3N4異質(zhì)結(jié)在低能區(qū)的吸收系數(shù)最高、紅移最明顯，可推測(cè)GaN/g-C3N4異質(zhì)結(jié)的光催化性能最優(yōu)。圖6(b)是單層g-C3N4以及X/g-C3N4(X=g-C3N4、AlN及GaN)異質(zhì)結(jié)介電函數(shù)的虛部圖。介電函數(shù)的虛部體現(xiàn)的是材料對(duì)光子的吸收能力，即虛部越大，電子吸收光子的可能性就越大。由圖6(b)可知X/g-C3N4(X=g-C3N4、AlN及GaN)相對(duì)于單層g-C3N4，在低能區(qū)均發(fā)生紅移，且X/g-C3N4在低能區(qū)的光吸收能力均有所增強(qiáng)，其中GaN/g-C3N4在低能區(qū)的光吸收能力最優(yōu)，這與吸收譜圖的結(jié)論一致。

圖6 單層g-C3N4及X/g-C3N4(X=g-C3N4、AlN及GaN)異質(zhì)結(jié)的(a)吸收光譜圖和(b)介電函數(shù)虛部圖Fig.6 (a) Asorption spectra and (b) imaginary part of dielectric function of single-layer g-C3N4 and X/g-C3N4(X=g-C3N4, AlN and GaN) heterojunctions

3 結(jié) 論

本文基于第一性原理，主要研究了單層g-C3N4以及X/g-C3N4(X=g-C3N4、AlN及GaN)異質(zhì)結(jié)的穩(wěn)定性、電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)。結(jié)論如下：X/g-C3N4異質(zhì)結(jié)均具有極低的晶格失配率及晶格失配能，表明X/g-C3N4異質(zhì)結(jié)容易在實(shí)驗(yàn)中形成。由電子結(jié)構(gòu)可知，X/g-C3N4異質(zhì)結(jié)的帶隙與單層g-C3N4體系相比均有所減??；X/g-C3N4異質(zhì)結(jié)態(tài)密度的波峰和波谷均大幅提高且出現(xiàn)了軌道雜化現(xiàn)象，這可以使電子躍遷變得更容易，且處于激發(fā)態(tài)的電子數(shù)量增加，表明構(gòu)建異質(zhì)結(jié)有利于提高體系對(duì)可見(jiàn)光的響應(yīng)能力，有效地提高了體系的光催化活性。由功函數(shù)可知，相比于單層g-C3N4體系，X/g-C3N4的功函數(shù)均有所減小且在界面處形成了內(nèi)建電場(chǎng)，有效抑制了光生電子-空穴對(duì)的復(fù)合，這對(duì)載流子的遷移以及光催化能力的提高大有裨益。由光學(xué)性質(zhì)可知，X/g-C3N4異質(zhì)結(jié)體系的吸收帶邊均發(fā)生紅移了現(xiàn)象。其中，GaN/g-C3N4異質(zhì)結(jié)的功函數(shù)最小，在界面處存在電勢(shì)差形成了內(nèi)建電場(chǎng)且紅移現(xiàn)象最明顯，可推測(cè)GaN/g-C3N4異質(zhì)結(jié)的光催化性能最好。上述結(jié)論為X/g-C3N4范德瓦耳斯異質(zhì)結(jié)在光催化領(lǐng)域的應(yīng)用提供了必要的參考。