六方氮化硼纳米片光解水催化剂能带调控机制的理论探索

基本信息
批准号:21673040
项目类别:面上项目
资助金额:65.00
负责人:林森
学科分类:
依托单位:福州大学
批准年份:2016
结题年份:2020
起止时间:2017-01-01 - 2020-12-31
项目状态: 已结题
项目参与者:冯文辉,王淑娇,高小梅,黄静,王瑶珠
关键词:
光解水第一性原理能带结构碳掺杂六方氮化硼
结项摘要

Hexagonal boron nitride (h-BN) nanosheet is a novel two-dimensional crystal without metal component and has important scientific research value and application prospect in the fields of energy, catalysis and so on. However, due to its wide band gap, h-BN is incapable of adsorbing visible light, limiting its applications in solar photocatalysis. In order to narrow its band gap and make the band edges matching the oxidation-reduction potentials of target reactions, it is necessary to modify h-BN by using physical and chemical methods. The design of energy bands should be guided by a sound theoretical strategy to regulate the energy band structures of semiconductors in the level of atom/molecule. In this project, by using first-principle methods, we will explore new strategies for carbon doping into h-BN by systematically studying the regulation mechanism of the energy band structures of h-BN materials by various carbon doping. The most important goal is to precisely control the band edges of h-BN and to make the position of valence band top deep enough to satisfy the thermodynamic requirement for the oxygen evolution reaction (OER) in water splitting. In addition, some important microscopic features such as active centers, reaction pathways and generation of the overpotential in the OER of water splitting on carbon doped h-BN materials will be also investigated. This research will help to better design and synthesize novel two-dimensional metal-free photocatalysts for water splitting.

六方氮化硼(h-BN)纳米片是不含金属组分的新型二维晶体,在能源、催化等领域具有重要科学研究价值和应用前景。但其带隙太宽,不能吸收可见光,限制了其在太阳能光催化领域的应用。因此,有必要采用物理化学方法改性修饰h-BN,建立能带结构的设计方法,在原子/分子水平上调控半导体能带结构,在窄化带隙的同时,使其带边位置与目标反应的氧化-还原电势相匹配。本项目利用第一性原理方法,寻求新的碳掺杂策略,系统研究各种碳掺杂方式对h-BN材料能带结构的影响机制。最重要的目标在于对带边位置的精准调控,使其价带顶位置足够深,以满足光解水产氧半反应的热力学要求,从而进一步提高光解水产氧效率,并揭示碳掺杂h-BN材料表面光解水产氧半反应的活性中心、反应路径及控制过电势大小的关键因素等重要微观本质。该理论研究对指导实验设计并合成新型二维非金属光解水催化剂材料具有重要的理论价值和现实意义。

项目摘要

项目负责人主要围绕构筑二维BxCyNz材料,在原子或分子水平上解析其电子结构并理解其表面或其与金属表界面的催化反应过程的机制,为实验设计新型催化剂提供理论参考。主要研究成果包括1)系统研究二维BxCyNz材料能带结构,尤其是对带边位置的精准调控机制,并揭示了BxCyNz材料表面光解水产氧半反应的反应路径及控制过电势大小的关键因素等重要微观本质,为实验设计高效的光解水催化剂提供了有意义的理论指导。2)研究了碳掺杂调控BN材料边界活性中心的电子结构,剖析其催化氧化脱氢反应的活性构效关系,为实验的开展提供有效洞见。3) 探索了BxCyNz与金属单原子、表面的相互作用,解释了BxCyNz对金属单原子、表面活性的调控,为设计二维材料相关的复合催化剂提供了理论依据。研究成果以学术论文的形式发表。标注论文发表在J. Am. Chem. Soc. (1篇)、Angew. Chem.(1篇)、Sci. Adv. (1篇)、Chem. Sci. (1篇)、ACS Catal. (4篇) 等具有国际影响力的杂志上,共27篇,多次应邀在国内会议做邀请报告,培养了硕士4名,在读博士3名,在读硕士2名。

项目成果
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数据更新时间:2023-05-31

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