一种提高单层GaSe光催化性能的方法

一种提高单层gase光催化性能的方法
技术领域
1.本发明专利涉及光催化技术领域，尤其指一种提高单层gase光催化性能的方法。


背景技术：

2.半导体的光催化剂分解水分为两个过程。
3.(1)在阳光的照射下，电子从半导体价带顶(vbm)迁移至导带底(cbm)，在vbm留下空穴。
4.(2)被激发的电子和空穴与水反应生成氢气和氧气。但是只有半导体的cbm大于h+/h2的还原电势(-4.44ev，ph＝0时)，vbm的势能小于o2/h2o的氧化电势)(-5.67ev，ph＝0时)时才能作为光催化。而要作为高效的光催化剂还需要高的可见光吸收、有效的分离电子空穴对。
5.已有的研究表明单层的gase有合适的带边位置作为光催化剂，但是gase在可见光范围的光吸收比较低，并且作为单层的二维材料不能有效地进行电子空穴对的分离。


技术实现要素：

6.(一)要解决的问题
7.主要用于解决gase作为光催化剂，在可见光范围的光吸收比较低，且单层的二维材料不能有效地进行电子空穴对的分离等问题，提供一种提高单层gase光催化性能的方法。
8.(二)技术方案
9.本发明一种提高单层gase光催化性能的方法，包括以下步骤：
10.s1、单层硒化镓的优化：首先利用根据块状硒化镓的晶体结构获得二维gase的晶体结构。然后再对单层的gase进行高精度结构优化，最后计算基本的性质；
11.s2、构件多种异质结构：选择组成异质结的另一种材料重复上述的操作。使用ms软件将两种单层二维材料堆叠在一起形成异质结；
12.s3、选择异质结：对不同的异质结进行高精度结构优化并计算它们的结合能，选择出结合能最小的异质结进行后续的研究；对选中的异质结进行更高精度的结构优化；
13.s4、计算异质结相关参数；
14.s5、施加双轴应变后再计算其光吸收。
15.作为优选的技术方案，s1中主要使用基于第一性原理的vasp软件包对单层的gase进行高精度结构优化；最后计算的基本性质包括晶体结构、能带、光吸收。
16.作为优选的技术方案，s2中可改变堆叠方式构建，从而构件多种不同的异质结构。
17.作为优选的技术方案，s3中，进行更高精度结构优化后的异质结可针对计算其声子谱进一步证明异质结的稳定性。
18.作为优选的技术方案，s4中，计算最稳定的异质结构的能带的相关参数主要为：差分电荷密度、光吸收。
19.(三)有益效果
20.本发明的有益效果在于：
21.(1)通过构建异质结，有效地分离了电子空穴，进一步提高了光催化的效率。(2)选择异质结符合z型水解机制，提高了电子空穴的氧化还原能力，可以进行全水解。
22.(3)通过构建异质结，并施加双轴应力，大大地提高了gase的光捕获能力，提高了光催化的效率。
附图说明
23.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
24.图1是本发明的流程示意图；
25.图2是本发明实施例中单层gase和zrs2的晶体结构示意图；
26.图3是本发明实施例中通过hse06方法计算得到的单层gase和zrs2的能带图；
27.图4是本发明实施例中不同堆叠方式的gase/zrs2异质结的结构示意图；
28.图5是本发明实施例中gase/zrs2异质结的声子谱图；
29.图6是本发明实施例中通过hse06方法计算得到的gase/zrs2异质结能带图；
30.图7是本发明实施例中gase/zrs2异质结的差分电荷密度图；
31.图8是本发明实施例中单层gase、gase/zrs2异质结和施加双轴应变的gase/zrs2异质结的光吸收图。
具体实施方式
32.结合附图对本发明一种提高单层gase光催化性能的方法，做进一步说明。
33.如附图所示是一种提高单层gase光催化性能的方法，包括以下步骤：
34.s1、单层硒化镓的优化：首先利用根据块状硒化镓的晶体结构获得二维gase的晶体结构。然后再对单层的gase进行高精度结构优化，最后计算基本的性质；
35.s2、构件多种异质结构：选择组成异质结的另一种材料重复上述的操作。使用ms软件将两种单层二维材料堆叠在一起形成异质结；
36.s3、选择异质结：对不同的异质结进行高精度结构优化并计算它们的结合能，选择出结合能最小的异质结进行后续的研究；对选中的异质结进行更高精度的结构优化；
37.s4、计算异质结相关参数；
38.s5、施加双轴应变后再计算其光吸收，因为施加应变会增加异质结对光的捕获能力。
39.进一步地，s1中主要使用基于第一性原理的vasp软件包对单层的gase进行高精度结构优化；最后计算的基本性质包括晶体结构、能带、光吸收。第一性原理计算是一种可以精确模拟材料性质的方法，计算所得的材料的催化性能规律和实验极为接近。通过第一性原理可以很好的预测材料的性质，减少实验的成本浪费，有利于减少异质结的优化时间。
40.进一步地，s2中可改变堆叠方式构建，从而构件多种不同的异质结构。
41.进一步地，s3中，进行更高精度结构优化后的异质结可针对计算其声子谱进一步证明异质结的稳定性。结合能越小结构越稳定。
42.进一步地，s4中，计算最稳定的异质结构的能带的相关参数主要为：差分电荷密度、光吸收。如果能带的排布方式是ⅱ型则是适合作为光催化剂的材料，通过差分电荷密度可以研究异质结界面处的电荷转移情况和界面处的内建电场。界面处的电场有利于电子空穴的分离，提高催化效率，而高效的光催化剂在可见光范围内有较高的光吸收。
43.请参考附图2～8，本发明以gase和zrs2做为具体实施例对本方法加以证明：
44.首先使用ms软件获得二维gase和zrs2的晶体结构(参考附图2)，真空层设置为使用vasp对单层的gase和zrs2进行结构优化。vasp的设置参数如下：交换关联势采用广义梯度近似(gga)下的(pbe)泛函。k点设置为9*9*1。截断能设置为500ev。能量收敛标准设置为1
×
10-6
，力的收敛标准设置为1
×
10-5
。结构优化完成后使用hse06杂化泛函计算单层gase和zrs2的能带(参考附图3)。
45.将经过高精度优化后的单层gase和zrs2晶体结构导入ms软件，通过改变两种材料的堆叠方式构建3种不同的异质结(参考附图4)。分别命名为stacking-1、stacking-2和stacking-3，真空层设置为使用vasp对3种异质结构进行结构优化。vasp的设置参数如下：交换关联势采用广义梯度近似(gga)下的(pbe)泛函。k点设置为11*11*1。截断能设置为500ev。能量收敛标准设置为1
×
10-6
，力的收敛标准设置为1
×
10-5
。再完成结构优化后用如下公式计算异质结的结合能：eb＝e
gase/zrs2-e
gase-e
zrs2
。其中e
gase/zrs2
、e
gase
和e
zrs2
分别代表的是gase/zrs2异质结、单层gase和单层zrs2的总能量。通过计算得stacking-1的结合能最小。对stacking-1进行更精准的结构优化并计算声子谱(参考附图5)，获得声子谱无虚频，证明了异质结在理论上是稳定的。
46.使用hse06杂化泛函计算异质结的能带，可以更加精准的评估带隙，带隙是评估催化剂效果的重要指标(参考附图6)。计算结果表明gase/zrs2异质结是具有ⅱ型能带排布的半导体，带隙为1.26ev。通过差分电荷密度(参考附图7)发现在异质结的界面处形成了由gase层指向zrs2层的内建电场。通过以上的性质可以证明gase/zrs2符合z型水解的异质结。z型水解的机制的优点是氧化还原反应发生在不同材料上，阻碍了电子空穴的复合，并且电子和空穴的氧化还原能力大大增加，有利于提高水解的效率。
47.计算单层gase、gase/zrs2异质结和施加双轴应变的gase/zrs2异质结的光吸收。结果显示gase/zrs2异质结的光吸收远高于单层gase的光吸收，并且在可见范围内的光吸收非常高(参考附图8)。施加双轴应变也提高了异质结的光吸收。
48.上面所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计构思的前提下，本领域普通人员对本发明的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入到本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。