纳米合金修饰Ag3PO4及其协同催化作用的第一性原理研究

The topic aimed to synthesis Ag3PO4 composite visible photocatalytic material which modified by nano-alloy and achieve efficient visible photocatalytic performance. Based on the unique electronic structure of nano-alloy and the excellent visible photocatalytic activity of Ag3PO4, it is expected to use Cu , Ag nanocomposite particles and the cubic Ag3PO4 to synthesis a series of nano-alloy modified Ag3PO4 composite visible photocatalytic materials with the novel structure and excellent performance. According to the first principle, the electronic structure and optical properties of Cu, Ag nanocomposites and cubic Ag3PO4 particles are calculated, respectively, which clarify the mechanism of energy band regulation between alloying elements and the photocatalytic synergistic mechanism of nanometer alloy for cubic Ag3PO4.

本课题以合成纳米合金修饰Ag3PO4复合可见光催化材料，实现高效可见光催化为导向，基于纳米合金独特的电子结构，以及Ag3PO4优良的可见光催化性能，拟将Cu系和Ag系纳米合金粒子与立方相Ag3PO4进行组装，从而合成一系列结构新颖、性能优良的纳米合金修饰Ag3PO4复合可见光催化材料。基于第一性原理，分别对Cu系、Ag系纳米合金和立方相Ag3PO4粒子电子结构和光学性质进行计算，明确合金元素间的能带调控机理，总结归纳纳米合金与立方相Ag3PO4之间的光催化协同作用机制。

本项目采用基于密度泛函理论的第一性原理对Ag3PO4和纳米Ag修饰的Ag3PO4的吸附能、密立根电荷、键布居数、电荷密度、差分电荷密度、态密度等性质进行计算，详细诠释了Ag3PO4的光响应、光腐蚀以及纳米Ag修饰对Ag3PO4光催化性能的提升机制。Ag3PO4的晶体模型为立方结构，O-P键键长为1.57560 Å，O-Ag键键长为2.47389 Å。O-P键布局值是0.59为共价键，O-Ag键布局值是0.14为离子键，由于O-Ag弱于O-P间的作用力导致光腐蚀现象。Ag3PO4晶体的禁带宽度的计算值为2.47 eV，对应光吸收边界大约为520 nm，这说明Ag3PO4晶体对紫外-可见光波段均有响应。Ag原子的最佳吸附位为Ag3PO4晶体的（100）晶面上的O原子顶位，吸附能为0.42 eV，结构优化后的键长为2.060 Å。单Ag原子、双Ag原子吸附模型的光催化性能优于纯Ag3PO4晶体，三Ag原子以及四Ag原子吸附模型比纯Ag3PO晶体相光催化性能减弱。随着Ag原子数目的增多，模型中Ag原子的密立根电荷较少，键布居数降低，O-Ag键键长变大，进而导致O原子与Ag原子之间的相互作用力减弱。项目还成功制备了Ag3PO4、纳米Ag修饰的Ag3PO4复合材料，并采用XRD、SEM、光致发光光谱、紫外-可见漫反射吸收光谱、有机污染物降解等手段对其结构、性质进行了表征，实际检测结果与理论计算结果吻合。项目的实施为光催化材料电子结构和机理的研究提供了新方法和新思路。