[论文解读] 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 4

一句话总结

本研究通过第一性原理计算表明，在GR/Ag3PO4复合材料中掺杂石墨烯可调控近带隙电子结构，增强界面电荷转移，并提高可见光吸收。氮掺杂被确定为最优方案，由于电荷重分布，氮原子及其相邻的碳原子成为活性光催化位点，显著提升光催化效率。

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.

研究动机与目标

• 理解掺杂剂在提升掺杂石墨烯/半导体复合材料光催化性能中的机理作用。
• 研究掺杂剂如何影响GR/Ag3PO4(100)异质结构的近带隙电子结构和界面电荷转移。
• 识别在GR/Ag3PO4体系中优化可见光响应和光催化活性的最有效掺杂剂。
• 通过计算分析解释实验中观察到的氮掺杂GR/半导体复合材料的性能优势。

提出的方法

• 采用第一性原理密度泛函理论（DFT）计算，模拟掺杂GR/Ag3PO4(100)异质结构。
• 系统地将石墨烯中的碳原子替换为不同掺杂剂（如B、N、P、S），以研究其对电子和光学性质的影响。
• 分析电荷重分布和局域电荷状态，以识别活性光催化位点。
• 计算能带结构、态密度和光学吸收光谱，以评估可见光响应性能。
• 通过电荷差分分析和Bader电荷分区量化界面电荷转移。
• 评估掺杂剂对能带对齐及GR/Ag3PO4界面电子转移路径的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 不同掺杂剂如何改变GR/Ag3PO4(100)复合材料的近带隙电子结构？
• RQ2 界面电荷转移在提升掺杂GR/Ag3PO4系统光催化活性中的作用是什么？
• RQ3 哪种掺杂元素能最大化GR/Ag3PO4复合材料的可见光吸收和电子转移效率？
• RQ4 为何氮掺杂GR/半导体复合材料相比未掺杂或其他掺杂变体表现出更优的光催化性能？

主要发现

• 预测氮掺杂是提升GR/Ag3PO4复合材料可见光吸收和光催化活性最有效的掺杂方式。
• 掺杂原子及其直接键合的碳原子因显著的电荷重分布而成为活性光催化位点，导致局域正电荷或负电荷的形成。
• 通过选择合适的掺杂剂，可调控GR/Ag3PO4(100)复合材料的带隙和近带隙电子结构，从而改善可见光响应。
• 掺杂剂增强了界面电荷转移，尤其是氮掺杂，促进了光生电子的有效分离与迁移。
• 氮掺杂使复合材料的光学吸收边发生红移，表明其对可见光的利用效率得到提升。
• 掺杂引起的电荷重分布导致有利的能带对齐，促进电子从Ag3PO4向掺杂石墨烯转移。