g-C3N4碳位掺杂电学及光学性质的分析

阮林伟 裘灵光 朱玉俊 卢运祥

引用本文: 阮林伟, 裘灵光, 朱玉俊, 卢运祥. g-C3N4碳位掺杂电学及光学性质的分析[J]. 物理化学学报, 2014, 30(1): 43-52. doi: 10.3866/PKU.WHXB201311082 shu
Citation:  RUAN Lin-Wei, QIU Ling-Guang, ZHU Yu-Jun, LU Yun-Xiang. Analysis of Electrical and Optical Properties of g-C3N4 with Carbon-Position Doping[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2014, 30(1): 43-52. doi: 10.3866/PKU.WHXB201311082 shu

g-C3N4碳位掺杂电学及光学性质的分析

  • 基金项目:

    国家自然科学基金(20971001,51002001,20371002)资助项目 (20971001,51002001,20371002)

摘要:

使用第一性原理研究了C位掺杂的g-C3N4的电学性质和光学性质,掺杂原子为B、P、S. g-C3N4有C1位和C2 位两种对称位碳原子,其中在C1 位上的掺杂易于C2 位,掺杂体系也较C2 位稳定. 相比于磷和硫在g-C3N4上的掺杂,硼掺杂最易于进行. 掺杂后体系的晶体结构之间差别较大,这与掺杂原子的大小以及电负性有关. 由轨道布居分布可知,掺杂后的硼、磷、硫原子价电子发生了变化,表明掺杂原子发生了杂化,与相邻原子以强的共价键相连. 掺杂原子与被取代的碳原子之间的价电子差异导致了能带的增加. 在原来的体系中,掺杂后的体系出现了一条新的能带,因此导致实际带隙下降,表明了掺杂后的体系导电性能增强. 对纯g-C3N4及掺杂g-C3N4的光学性质分析表明,g-C3N4的光学吸收主要在紫外光区,掺杂磷和硫后对g-C3N4的光吸收波长范围无改变,掺杂硼后的g-C3N4光吸收不再局限于紫外光区,而且延伸至可见光区和红外光区,并在红外光区有很强的吸收,表明g-C3N4掺杂硼后能大大地提高光催化效率. 电子能量损失光谱和光导率谱以及介电常数都佐证了上述观点.

English

    1. [1]

      (1) Fujishima, A.; Honda, K. Nature 1972, 238, 37.

      (1) Fujishima, A.; Honda, K. Nature 1972, 238, 37.

    2. [2]

      (2) Wang, F.; Hao, Y. J.; Jin, G. Q.; Guo, X. Y. Acta Phys. -Chim. Sin. 2007, 23, 1503. [王峰, 郝雅娟, 靳国强, 郭向云. 物理化学学报, 2007, 23, 1503.] doi: 10.1016/S1872-1508(07)60075-8(2) Wang, F.; Hao, Y. J.; Jin, G. Q.; Guo, X. Y. Acta Phys. -Chim. Sin. 2007, 23, 1503. [王峰, 郝雅娟, 靳国强, 郭向云. 物理化学学报, 2007, 23, 1503.] doi: 10.1016/S1872-1508(07)60075-8

    3. [3]

      (3) Wang, Y.; Yan, J.W.; Zhu, Z.W.; Zhao, X. Q.; Zhong, Y. X.;Mao, B.W. Acta Phys. -Chim. Sin. 2013, 29, 1588. [王洋,颜佳伟, 朱在稳, 赵雪芹, 钟赟鑫, 毛秉伟. 物理化学学报,2013, 29, 1588.] doi: 10.3866/PKU.WHXB201304233(3) Wang, Y.; Yan, J.W.; Zhu, Z.W.; Zhao, X. Q.; Zhong, Y. X.;Mao, B.W. Acta Phys. -Chim. Sin. 2013, 29, 1588. [王洋,颜佳伟, 朱在稳, 赵雪芹, 钟赟鑫, 毛秉伟. 物理化学学报,2013, 29, 1588.] doi: 10.3866/PKU.WHXB201304233

    4. [4]

      (4) Liu, A. Y.; Cohen, M. L. Science 1989, 245, 841. doi: 10.1126/science.245.4920.841(4) Liu, A. Y.; Cohen, M. L. Science 1989, 245, 841. doi: 10.1126/science.245.4920.841

    5. [5]

      (5) Zhen, H. R.; Zhang, J. S.;Wang, X. C.; Fu, X. Z. Acta Phys. -Chim. Sin. 2012, 28, 2336. [郑华荣, 张金水, 王心晨,付贤智. 物理化学学报, 2012, 28, 2336.] doi: 10.3866/PKU.WHXB201209104(5) Zhen, H. R.; Zhang, J. S.;Wang, X. C.; Fu, X. Z. Acta Phys. -Chim. Sin. 2012, 28, 2336. [郑华荣, 张金水, 王心晨,付贤智. 物理化学学报, 2012, 28, 2336.] doi: 10.3866/PKU.WHXB201209104

    6. [6]

      (6) Zhang, J. S.;Wang, B.;Wang, X. C. Acta Phys. -Chim. Sin.2013, 29,1865. [张金水, 王博, 王心晨. 物理化学学报,2013, 29, 1865.] doi: 10.3866/PKU.WHXB201306173(6) Zhang, J. S.;Wang, B.;Wang, X. C. Acta Phys. -Chim. Sin.2013, 29,1865. [张金水, 王博, 王心晨. 物理化学学报,2013, 29, 1865.] doi: 10.3866/PKU.WHXB201306173

    7. [7]

      (7) Yang, X. J.;Wang, H. J. Acta Chim. Sin. 2009, 67, 1166. [杨晓军, 王红军. 化学学报, 2009, 67, 1166.](7) Yang, X. J.;Wang, H. J. Acta Chim. Sin. 2009, 67, 1166. [杨晓军, 王红军. 化学学报, 2009, 67, 1166.]

    8. [8]

      (8) ettmann, F.; Thomas, A.; Antonietti, M. Angew. Chem. Int. Edit. 2007, 46, 2717.(8) ettmann, F.; Thomas, A.; Antonietti, M. Angew. Chem. Int. Edit. 2007, 46, 2717.

    9. [9]

      (9) ettmann, F.; Fischer, A.; Antonietti, M.; Thomas, A. Angew. Chem. Int. Edit. 2006, 45, 4467.(9) ettmann, F.; Fischer, A.; Antonietti, M.; Thomas, A. Angew. Chem. Int. Edit. 2006, 45, 4467.

    10. [10]

      (10) Kim, M.; Hwang, S.;Yu, J. S. J. Mater. Chem. 2007, 17, 1656.doi: 10.1039/b702213a(10) Kim, M.; Hwang, S.;Yu, J. S. J. Mater. Chem. 2007, 17, 1656.doi: 10.1039/b702213a

    11. [11]

      (11) Gracia, J.; Kroll, P. J. Mater. Chem. 2009, 19, 3020. doi: 10.1039/b821569c(11) Gracia, J.; Kroll, P. J. Mater. Chem. 2009, 19, 3020. doi: 10.1039/b821569c

    12. [12]

      (12) Sun, S. J. J. Magn. Magn. Mater. 2013, 344, 39. doi: 10.1016/j.jmmm.2013.05.037(12) Sun, S. J. J. Magn. Magn. Mater. 2013, 344, 39. doi: 10.1016/j.jmmm.2013.05.037

    13. [13]

      (13) Lyth, S. M.; Nabae, Y.; Moriya, S.; Kuroki, S.; Kakimoto, M.;Ozaki, J.; Miyata, S. J. Phys. Chem. C 2009, 113, 20148. doi: 10.1021/jp907928j(13) Lyth, S. M.; Nabae, Y.; Moriya, S.; Kuroki, S.; Kakimoto, M.;Ozaki, J.; Miyata, S. J. Phys. Chem. C 2009, 113, 20148. doi: 10.1021/jp907928j

    14. [14]

      (14) Qiu, H. H.;Wang, Z. J.; Sheng, X. L. Physica B 2013, 421, 46.doi: 10.1016/j.physb.2013.03.047(14) Qiu, H. H.;Wang, Z. J.; Sheng, X. L. Physica B 2013, 421, 46.doi: 10.1016/j.physb.2013.03.047

    15. [15]

      (15) Mane, G. P.; Dhawale, D. S.; Anand, C.; Ariga, K.; Ji, Q. M.;Wahab, M. A.; Mori, T.; Vinu, A. J. Mater. Chem. A 2013, 1,2913. doi: 10.1039/c2ta01215d(15) Mane, G. P.; Dhawale, D. S.; Anand, C.; Ariga, K.; Ji, Q. M.;Wahab, M. A.; Mori, T.; Vinu, A. J. Mater. Chem. A 2013, 1,2913. doi: 10.1039/c2ta01215d

    16. [16]

      (16) Bai, X. J.;Wang, L.; Zong, R. L.; Zhu, Y. F. J. Phys. Chem. C2013, 117, 9952. doi: 10.1021/jp402062d(16) Bai, X. J.;Wang, L.; Zong, R. L.; Zhu, Y. F. J. Phys. Chem. C2013, 117, 9952. doi: 10.1021/jp402062d

    17. [17]

      (17) Wang, X. C.; Maeda, K.; Thomas, A.; Takanabe, K.; Xin, G.;Carlsson, J. M.; Domen, K.; Antonietti, M. Nat. Mater. 2009, 8,76. doi: 10.1038/nmat2317(17) Wang, X. C.; Maeda, K.; Thomas, A.; Takanabe, K.; Xin, G.;Carlsson, J. M.; Domen, K.; Antonietti, M. Nat. Mater. 2009, 8,76. doi: 10.1038/nmat2317

    18. [18]

      (18) Stolbov, S.; Zuluaga, S. J. Phys.: Condens. Matter 2013, 25, 7.(18) Stolbov, S.; Zuluaga, S. J. Phys.: Condens. Matter 2013, 25, 7.

    19. [19]

      (19) Chen, G.; Gao, S. P. Chin. Phys. B 2012, 21 (10), 7.(19) Chen, G.; Gao, S. P. Chin. Phys. B 2012, 21 (10), 7.

    20. [20]

      (20) Dong, G. H.; Zhao, K.; Zhang, L. Z. Chem. Commun. 2012, 48,6178. doi: 10.1039/c2cc32181e(20) Dong, G. H.; Zhao, K.; Zhang, L. Z. Chem. Commun. 2012, 48,6178. doi: 10.1039/c2cc32181e

    21. [21]

      (21) Hong, J. D.; Xia, X. Y.;Wang, Y. S.; Xu, R. J. Mater. Chem.2012, 22, 15006. doi: 10.1039/c2jm32053c(21) Hong, J. D.; Xia, X. Y.;Wang, Y. S.; Xu, R. J. Mater. Chem.2012, 22, 15006. doi: 10.1039/c2jm32053c

    22. [22]

      (22) Ma, X. G.; Lv, Y. H.; Xu, J.; Liu, Y. F.; Zhang, R. Q.; Zhu, Y. F.J. Phys. Chem. C 2012, 116, 23485. doi: 10.1021/jp308334x(22) Ma, X. G.; Lv, Y. H.; Xu, J.; Liu, Y. F.; Zhang, R. Q.; Zhu, Y. F.J. Phys. Chem. C 2012, 116, 23485. doi: 10.1021/jp308334x

    23. [23]

      (23) Yan, S. C.; Li, Z. S.; Zou, Z. G. Langmuir 2010, 26, 3894. doi: 10.1021/la904023j(23) Yan, S. C.; Li, Z. S.; Zou, Z. G. Langmuir 2010, 26, 3894. doi: 10.1021/la904023j

    24. [24]

      (24) Yue, B.; Li, Q. Y.; Iwai, H.; Kako, T.; Ye, J. H. Sci. Technol. Adv. Mater. 2011, 12 (3), 7.(24) Yue, B.; Li, Q. Y.; Iwai, H.; Kako, T.; Ye, J. H. Sci. Technol. Adv. Mater. 2011, 12 (3), 7.

    25. [25]

      (25) Zhang, Y. J.; Mori, T.; Ye, J. H.; Antonietti, M. J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 6294. doi: 10.1021/ja101749y(25) Zhang, Y. J.; Mori, T.; Ye, J. H.; Antonietti, M. J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 6294. doi: 10.1021/ja101749y

    26. [26]

      (26) Liu, G.; Niu, P.; Sun, C. H.; Smith, S. C.; Chen, Z. G.; Lu, G.Q.; Cheng, H. M. J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 11642. doi: 10.1021/ja103798k(26) Liu, G.; Niu, P.; Sun, C. H.; Smith, S. C.; Chen, Z. G.; Lu, G.Q.; Cheng, H. M. J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 11642. doi: 10.1021/ja103798k

    27. [27]

      (27) Perdew, J. P.; Chevary, J. A.; Vosko, S. H.; Jackson, K. A.;Pederson, M. R.; Singh, D. J.; Fiolhais, C. Phys. Rev. B 1992,46, 6671. doi: 10.1103/PhysRevB.46.6671(27) Perdew, J. P.; Chevary, J. A.; Vosko, S. H.; Jackson, K. A.;Pederson, M. R.; Singh, D. J.; Fiolhais, C. Phys. Rev. B 1992,46, 6671. doi: 10.1103/PhysRevB.46.6671

    28. [28]

      (28) Ortmann, F.; Bechstedt, F.; Schmidt,W. G. Phys. Rev. B 2006,73 (20), 10.(28) Ortmann, F.; Bechstedt, F.; Schmidt,W. G. Phys. Rev. B 2006,73 (20), 10.

    29. [29]

      (29) Vanderbilt, D. Phys. Rev. B 1990, 41, 7892. doi: 10.1103/PhysRevB.41.7892(29) Vanderbilt, D. Phys. Rev. B 1990, 41, 7892. doi: 10.1103/PhysRevB.41.7892

    30. [30]

      (30) Fischer, T. H.; Almlof, J. J. Phys. Chem. 1992, 96, 9768. doi: 10.1021/j100203a036(30) Fischer, T. H.; Almlof, J. J. Phys. Chem. 1992, 96, 9768. doi: 10.1021/j100203a036

    31. [31]

      (31) Segall, M. D.; Lindan, Philip. J. D.; Probert, M. J.; Pickard, C.J.; Hasnip, P. J.; Clark, S. J.; Payne, M. C. J. Phys.: Condens. Matter 2002, 14, 2717. doi: 10.1088/0953-8984/14/11/301(31) Segall, M. D.; Lindan, Philip. J. D.; Probert, M. J.; Pickard, C.J.; Hasnip, P. J.; Clark, S. J.; Payne, M. C. J. Phys.: Condens. Matter 2002, 14, 2717. doi: 10.1088/0953-8984/14/11/301

    32. [32]

      (32) Teter, D. M.; Hemley, R. J. Science 1996, 271, 53. doi: 10.1126/science.271.5245.53(32) Teter, D. M.; Hemley, R. J. Science 1996, 271, 53. doi: 10.1126/science.271.5245.53

    33. [33]

      (33) Xu, Y.; Gao, S. P. Int. J. Hydrog. Energy 2012, 37, 11072. doi: 10.1016/j.ijhydene.2012.04.138(33) Xu, Y.; Gao, S. P. Int. J. Hydrog. Energy 2012, 37, 11072. doi: 10.1016/j.ijhydene.2012.04.138

    34. [34]

      (34) Van deWalle, C. G.; Neugebauer, J. J. Appl. Phys. 2004, 95,3851. doi: 10.1063/1.1682673(34) Van deWalle, C. G.; Neugebauer, J. J. Appl. Phys. 2004, 95,3851. doi: 10.1063/1.1682673

    35. [35]

      (35) Molina, B.; Sansores, L. E. Mod. Phys. Lett. B 1999, 13, 193.doi: 10.1142/S0217984999000269(35) Molina, B.; Sansores, L. E. Mod. Phys. Lett. B 1999, 13, 193.doi: 10.1142/S0217984999000269

    36. [36]

      (36) Saha, S.; Sinha, T. P.; Mookerjee, A. Phys. Rev. B 2000, 62,8828. doi: 10.1103/PhysRevB.62.8828(36) Saha, S.; Sinha, T. P.; Mookerjee, A. Phys. Rev. B 2000, 62,8828. doi: 10.1103/PhysRevB.62.8828

    37. [37]

      (37) Antonov, V. N.; Yavorsky, B. Y.; Shpak, A. P.; Jepsen, O.;Guizzetti, G. Phys. Rev. B 1996, 53, 15631. doi: 10.1103/PhysRevB.53.15631(37) Antonov, V. N.; Yavorsky, B. Y.; Shpak, A. P.; Jepsen, O.;Guizzetti, G. Phys. Rev. B 1996, 53, 15631. doi: 10.1103/PhysRevB.53.15631

    38. [38]

      (38) Cai, M. Q.; Yin, Z.; Zhang, M. S. Appl. Phys. Lett. 2003, 83,2805. doi: 10.1063/1.1616631(38) Cai, M. Q.; Yin, Z.; Zhang, M. S. Appl. Phys. Lett. 2003, 83,2805. doi: 10.1063/1.1616631

    39. [39]

      (39) Wang, X. C.; Blechert, S.; Antonietti, M. ACS Catal. 2012, 2,1596. doi: 10.1021/cs300240x(39) Wang, X. C.; Blechert, S.; Antonietti, M. ACS Catal. 2012, 2,1596. doi: 10.1021/cs300240x

    40. [40]

      (40) Wei,W.; Jacob, T. Phys. Rev. B 2013, 87 (8), 7.

      (40) Wei,W.; Jacob, T. Phys. Rev. B 2013, 87 (8), 7.

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  813
  • 文章访问数:  1452
  • HTML全文浏览量:  37
文章相关
  • 发布日期:  2014-01-01
  • 收稿日期:  2013-08-29
  • 网络出版日期:  2013-11-08
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

  1. 本站搜索
  2. 百度学术搜索
  3. 万方数据库搜索
  4. CNKI搜索

/

返回文章