[논문 리뷰] 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 Huang외 6명|arXiv (Cornell University)|2015. 10. 28.

Advanced Photocatalysis Techniques참고 문헌 24인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 처음부터 원리 계산을 사용하여 그래핀을 도핑함으로써 GR/Ag3PO4 복합체의 가까운 금속간 전자 구조를 조절하고, 인터페이스 전하 이동을 향상시키며, 가시광선 흡수를 개선할 수 있음을 입증한다. 질소 도핑이 최적임이 밝혀졌으며, 전하 재분배로 인해 질소 및 그에 인접한 탄소 원자가 광촉매 작용에 활성화되어 광촉매 효율이 크게 향상된다.

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.

연구 동기 및 목표

• 도핑된 그래핀/반도체 복합체의 광촉매 성능 향상에 기여하는 도핑 원소의 기계적 역할을 이해하기 위해.
• 도핑 원소가 GR/Ag3PO4(100) 이방성 구조의 가까운 금속간 전자 구조와 인터페이스 전하 이동에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• GR/Ag3PO4 시스템에서 가시광선 반응과 광촉매 활성을 최적화하는 데 가장 효과적인 도핑 원소를 규명하기 위해.
• 실험적 관찰을 이론적으로 설명하기 위해 도핑된 N-그래핀/반도체 복합체의 계산 분석을 수행하기 위해.

제안 방법

• 도핑된 GR/Ag3PO4(100) 이방성 구조를 모델링하기 위해 처음부터 원리 계산 기반의 밀도함수이론(DFT) 계산을 사용하였다.
• 다양한 도핑 원소(B, N, P, S 등)를 이용해 그래핀 내 탄소 원자를 체계적으로 치환하여 전자적 및 광학적 성질에 미치는 영향을 분석하였다.
• 활성 광촉매 부위를 규명하기 위해 전하 재분포 및 국소 전하 상태를 분석하였다.
• 가시광선 반응 평가를 위해 밴드 구조, 상태 밀도 및 광흡수 스펙트럼을 계산하였다.
• 전하 차이 분석 및 Bader 전하 분할을 통해 인터페이스 전하 이동을 정량화하였다.
• GR/Ag3PO4 인터페이스에서의 밴드 정렬과 전자 이동 경로에 도핑 원소가 미치는 영향을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다양한 도핑 원소가 GR/Ag3PO4(100) 복합체의 가까운 금속간 전자 구조에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 도핑된 GR/Ag3PO4 시스템에서 광촉매 활성을 향상시키는 데 있어 인터페이스 전하 이동의 역할은 무엇인가?
• RQ3 GR/Ag3PO4 복합체에서 가시광선 흡수와 전자 이동 효율을 최대화하는 데 가장 효과적인 도핑 원소는 무엇인가?
• RQ4 왜 질소 도핑된 GR/반도체 복합체는 도핑되지 않은 경우나 다른 도핑 유형에 비해 우수한 광촉매 성능을 보이는가?

주요 결과

• 질소 도핑이 GR/Ag3PO4 복합체의 가시광선 흡수 및 광촉매 활성 향상에 가장 효과적인 도핑 원소로 예측되었다.
• 도핑 원소와 그에 직접 결합된 탄소 원자가 뚜렷한 전하 재분포로 인해 활성 광촉매 부위로 작용하였으며, 국소적으로 양성 또는 음성 전하가 형성되었다.
• 도핑 원소 선택을 통해 GR/Ag3PO4(100) 복합체의 밴드 갭과 가까운 금속간 전자 구조를 조절 가능하여 가시광선 반응성이 향상되었다.
• 특히 질소 도핑에 의해 인터페이스 전하 이동이 향상되어 광생성 전자의 효율적인 분리 및 이동이 촉진되었다.
• 질소 도핑에 의해 복합체의 광흡수 경계가 적색 이동하여 가시광선의 활용도 향상됨을 나타냈다.
• 도핑에 의해 유도된 전하 재분포로 인해 유리한 밴드 정렬이 형성되어 Ag3PO4에서 도핑된 그래핀으로의 전자 이동이 촉진되었다.