Bi基多元金属卤氧化合物中载流子转移性质的理论研究

Bi-based multi-metal oxyhalides have good prospects in the field of photocatalysis due to their good optical absorption and stability. Many experiments have been carried out to study the photocatalytic properties of these materials. However, there are few studies on their carrier-transfer properties, which is very important for understanding and improving the photocatalytic performance of materials. Therefore, this project will focus on the factors affecting the transfer of carries in PbBiO2X and Bi4MO8X(M=Nb, Ta; X=Cl, Br, I) systems. Specifically, we will compare the transfer properties of electrons and holes in layered BiOX and PbBiO2X, BiOX and Bi4MO8X(M=Nb, Ta; X=Cl, Br, I) systems to clarify the effect of introducing Pb atoms and Metal-Oxygen(M-O) octahedrons into BiOX structure on electronic structures. We also will study the dependence of carrier-transfer properties on halogen and transition metal elements to prove the possibility of improving the photocatalytic activity of materials by doping. Furthermore, we will analyze the anisotropy of carrier transfer and the corresponding surface states to determine the active surfaces of redox reactions. This research is conducive to revealing the origin of good photocatalytic activity of Bi-based multi-metal oxyhalides, and provides theoretical guidance for regulating the photocatalytic properties of materials and promoting their development in the field of photocatalysis.

良好的光吸收和光稳定性使得Bi基多元金属卤氧化合物具有很好的光催化应用前景。因此，实验上开展了许多工作来研究该类材料的光催化性质。但是其中关于载流子转移情况的研究还较少，而这对于理解和改善材料的光催化性质是非常重要的。因此本项目拟围绕PbBiO2X和Bi4MO8X(M=Nb, Ta; X=Cl, Br, I)体系中影响载流子转移的相关因素开展研究。具体包括，通过对比BiOX和PbBiO2X、BiOX和Bi4MO8X中载流子的转移情况，阐明在BiOX结构中引入Pb原子、金属-氧（M-O）八面体对电子结构的影响。通过研究载流子转移性质对组成元素的依赖作用，证明通过掺杂提高光催化活性的可能性。通过分析载流子转移的各向异性和表面态情况，确定反应活性面。本项目的研究不仅有助于揭示Bi基多元金属卤氧化合物良好光催化活性的起源，而且可为调控材料的光催化性质，推动其在光催化领域的发展提供有力的理论指导。

载流子的转移与分离过程对于光催化材料的性能具有重要的影响。对于具有良好的光吸收和光稳定性的Bi基多元金属卤氧化合物而言，充分认识并合理调控载流子的转移性质是进一步改善材料光催化性质的基础。本项目围绕PbBiO2X和Bi4MO8X(M=Nb, Ta; X=Cl, Br, I)体系中载流子转移的特点、机制和调控展开研究。首先通过第一性原理计算分析了Bi4MO8X(M=Nb, Ta; X=Cl, Br, I)中载流子沿不同方向的转移能力以及卤族元素和过渡金属元素的调控作用，结果表明该体系中电子和空穴的转移具有不同的方向依赖性，这对于电子和空穴向不同晶面的聚集提供了前提。而具体实现电子和空穴在对应晶面的分布还需进行适当的晶面修饰或调控。另一方面，丰富的Bi-O配位环境使得电子和空穴的转移随卤族元素原子序数的增加呈现出相反的变化趋势，而过渡金属元素M的影响并不明显。同时，通过对PbBiO2X(X=Cl, Br, I)体系中载流子转移性质的研究发现，电子和空穴有效质量也呈现出明显的各向异性。随卤族元素原子序数的增加，电子有效质量的各向异性加剧。因此掺杂卤族元素可以在一定程度上调控材料的光催化性质。此外，还以GeS单层为例，探索了结合两种不同方向电场的作用促进载流子转移与分离的可能性，结果发现将具有不同极化方向的GeS材料构建成异质结体系可在改善光吸收性质的同时促进载流子沿特定方向的转移进而实现不同的光催化应用。上述研究结果对于深刻理解Bi基多元金属卤氧化合物的结构和电子结构特点，正确认识载流子转移性质，进而采用适当的晶面工程或掺杂工程来调控材料的光催化性能提供了必要的理论基础。