[論文レビュー] Tuning near-gap electronic structure, interface charge transfer and visible light response of hybrid doped graphene and Ag3PO4 composite: Dopant effects

Chao-Ni He, Wei‐Qing Huang+6 more|arXiv (Cornell University)|Oct 28, 2015

Advanced Photocatalysis Techniques参考文献 24被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、第一原理計算を用いて、グラフェンをドーピングすることでGR/Ag3PO4複合材料の近バンドギャップ電子構造が調整され、界面での電荷移動が向上し、可視光吸収が向上することを示した。窒素ドーピングが最適であると特定され、電荷再配分によりN原子および隣接するC原子が活性な光触媒サイトとして機能し、光触媒効率が顕著に向上した。

ABSTRACT

The enhanced photocatalytic performance of doped graphene(GR)/semiconductor nanocomposites have recently been widely observed, but an understanding of the underlying mechanisms behind it is still out of reach. As a model system to study the effect of dopants, we investigate the electronic structures and optical properites of doped GR/Ag3PO4 nanocomposites using the first-principles calculations, demonstrating that the band gap, near-gap electronic structure and interface charge transfer of the doped GR/Ag3PO4(100) composite can be tuned by the dopants. Interestingly, the doping atom and C atoms bonded to dopant become active sites for photocatalysis because they are positively or negatively charged due to the charge redistribution caused by interaction. The dopants can enhance the visible light absorption and photoinduced electrons transfer. We propose that the N atom may be most appropriate doping for the GR/Ag3PO4 photocatalyst. This work can rationalize the available experimental results about N-doped GR-semiconductor composites, and enriches our understanding on the effect of dopants in the doped GR-based composites for developing high-performance photocatalysts.

研究の動機と目的

• ドーパントがドーピングされたグラフェン/半導体複合材料の光触媒性能を向上させるメカニズム的役割を理解すること。
• ドーパントがGR/Ag3PO4(100)ヘテロ構造の近バンドギャップ電子構造および界面電荷移動に与える影響を調査すること。
• GR/Ag3PO4システムにおける可視光応答性および光触媒活性を最適化するための最も効果的なドーパントを特定すること。
• 実験的観察されたNドーピングされたGR/半導体複合材料の挙動を計算的手法を用いて合理的に解明すること。

提案手法

• ドーピングされたGR/Ag3PO4(100)ヘテロ構造をモデル化するために、第一原理密度汎関数理論(DFT)計算を採用した。
• C原子をB、N、P、Sなどさまざまなドーパントに体系的に置換することで、電子的および光学的性質に与える影響を検討した。
• 電荷再配分および局所的電荷状態の分析により、活性な光触媒サイトを同定した。
• バンド構造、状態密度および光学吸収スペクトルの計算により、可視光応答性を評価した。
• 電荷差分解析およびバーダー電荷分割法を用いて、界面における電荷移動を定量的に評価した。
• ドーパントがGR/Ag3PO4界面におけるバンド整列および電子移動経路に与える影響を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 異なるドーパントは、GR/Ag3PO4(100)複合材料の近バンドギャップ電子構造をどのように変化させるか？
• RQ2 ドーピングされたGR/Ag3PO4システムにおける光触媒活性の向上に、界面電荷移動が果たす役割は何か？
• RQ3 どのドーパント元素がGR/Ag3PO4複合材料における可視光吸収および電子移動効率を最大にするか？
• RQ4 なぜNドーピングされたGR/半導体複合材料は、ドーピングされていないものや他のドーピング変種よりも優れた光触媒性能を示すのか？

主な発見

• 窒素ドーピングが、GR/Ag3PO4複合材料における可視光吸収および光触媒活性を向上させるために最も効果的であると予測された。
• ドーパント原子およびその直接的に結合する炭素原子が、顕著な電荷再配分により、局所的に正または負の電荷を示し、活性な光触媒サイトとして機能した。
• ドーパントの選択により、GR/Ag3PO4(100)複合材料のバンドギャップおよび近バンドギャップ電子構造を調整可能であり、可視光応答性の向上が可能となった。
• ドーパント、特に窒素により、界面電荷移動が強化され、励起された電子の効率的分離および移動が促進された。
• Nドーピングにより、複合材料の光学吸収端が赤方シフトした。これは、可視光の利用効率が向上したことを示している。
• ドーピングに起因する電荷再配分により、有利なバンド整列が実現し、Ag3PO4からドーピングされたグラフェンへの電子移動が促進された。