氮化碳量子点吸收光谱和掺杂改性及计算模拟在课程教学中的作用

• 作 者: 翟顺成
• 出 处: 西北大学
• 发表日期: 2004年期
• 关键词: g-C3N4量子点 电子结构 吸收光谱 掺杂 计算模拟 课程教学

石墨相氮化碳（g-C₃N₄）是一种具有较高物理化学稳定性的共轭聚合物,其独特的电子结构使它能够作为一种应用于太阳能转换和环境修复等领域的新型可见光催化材料。然而,由于量子产率低、载流子复合率高等自身缺点限制了它在实际中的应用。量子点作为对g-C₃N₄材料的裁减改性,逐渐受到实验研究的关注,但目前还很少有关于g-C₃N₄量子点几何和电子结构的理论研究报道。本文利用密度泛函理论（DFT）和含时密度泛函理论（TDDFT）模拟计算,系统研究了（g-C₃N₄）n（n=1～15）量子点的几何结构稳定性、电子结构以及吸收光谱。为了进一步改善g-C₃N₄量子点的光吸收和催化性能,文中对氧（O）原子和硫（S）原子掺杂的三孔型（g-C₃N₄）6（6d）三角形片状量子点进行了研究,得出了以下结论:1、以三均三嗪（tri-s-triazine）为基元,建构了三种不同平面类型的g-C₃N₄量子点,系统地研究了它们的几何和电子结构,结果表明:除了基元量子点外,所有优化后的结构都有不同程度的扭曲,不再是平面结构,其中链形结构g-C₃N₄量子点的能量最低。HOMO-LUMO能隙随着基元数目的增加而减小,饱和氢原子个数多的结构,HOMO-LUMO能隙相对较大。通过形成能的计算,推断出g-C₃N₄量子点的增长模式。三角形片状结构（g-C₃N₄）6的吸收光谱和实验结果较吻合,其中横向尺寸为3.41nm的三角形片状（g-C₃N₄）15量子点的紫外-可见吸收光谱（UV-Vis）已经可以覆盖大部分可见光,这些小尺寸g-C₃N₄量子点可作光吸收复合材料,在能源转换方面具有广阔的应用前景。2、为了提高g-C₃N₄量子点的光吸收和改善其光催化性能,对三孔型三角形片状（g-C₃N₄）6（6d）量子点进行了掺杂O原子和S原子的改性研究。利用密度泛函和含时密度泛函理论研究了 O和S掺杂的石墨相氮化碳6d量子点的几何、电子结构和紫外-可见光吸收性质。结果表明:掺杂后6d量子点在杂质原子周围C-N键长发生了一定的改变,HOMO-LUMO能隙显著减小。形成能的计算表明O原子取代掺杂的（g-C₃N₄）6量子点体系更稳定,且0原子易取代N3位点,而S原子易取代N8位点。紫外-可见电子吸收光谱研究表明,O和S原子的掺杂可以显著改善6d量子点的光吸收性质,不仅在整个可见光甚至红外光范围内（200nm-1600nm）都有明显的吸收峰,而且合适浓度的0或S原子掺杂可以使整个吸收范围内的光吸收增强。相同位点O和S取代掺杂对6d量子点光吸收的影响总体上相似,只是在长波长的红外区,O原子和S原子掺杂对光吸收的影响有一定的区别。3、通过计算模拟在科研实践和教学实践中的运用,深刻体会到计算模拟对课程教学的重要作用,并对其进行了详细讨论。