郝维昌
纳米形貌的背后-应力调控BiOBr纳米片的电子结构及性能
2015-12-28 10:13
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连续可控的调节半导体材料的电子结构对于其在光电,光化学等一系列领域内的应用极其重要。对于光催化半导体材料而言,带隙大小,带边(导带底和价带顶)位置以及能带的形状分别决定了其吸光能力,氧化还原能力以及载流子的有效质量。这些性质是影响半导体光催化剂效率的主要因素。调节半导体材料的电子材料的传统方法包括调控材料的尺寸、形貌、晶体结构、化学组成(其中掺杂和形成固溶体是两个常见改变化学组成的手段)等。近年来,应力调控在改善二维半导体材料的能带结构方面,尤其是涉及光电转换应用的领域,取得了可喜的进展。然而在光催化领域,有有关应力调节能带结构的研究却并不多见。


1  (a)方形BiOBr纳米片的TEM图,(b)方形BiOBr纳米片的应力分布; (c)圆形BiOBr纳米片的TEM(d)圆形BiOBr纳米片的应力分布。(a)(c)的标尺长度为1μm(b)(d)的标尺长度是10 nm

 

我们研究小组通过对以(001)晶面暴露的BiOBr二维纳米片作为研究对象。通过合成反应中pH值的调控控制材料的生长速率,合成了一系列铋氧氯(BiOBr) 纳米片。通过XRDTEM以及GPA应力模拟的分析,我们发现通过对反应条件的控制实现了对BiOBr纳米片内部应力的连续调节。如图1所示,圆形BiOBr纳米片的内部应力明显小于方形BiOBr纳米片,其内部应力的分布也更均匀。如图2所示,通过在可见光下降解目标污染物(罗丹明B(a),甲基橙(b)和苯酚(c)),我们发现圆形BiOBr纳米片在可见光下的光催化活性要明显优于方形BiOBr纳米片。通过对吸收光谱(2d)、可见光下的光电流(2e)分析以及第一性原理计算,我们发现内部应力不同的BiOBr样品的的电子结构发生了明显的变化。圆形BiOBr纳米片的优越的光催化活性正是源于应力对其电子结构的优化。该研究发现发表在ACS Appl. Mater. Interfaces 2015, 7, 27592-27596.

  

2 不同应力的BiOBr纳米片在可见光下降解目标污染物的降解曲线:(a)罗丹明B (b)甲基橙, (c)苯酚; (d)不同应力的BiOBr纳米片的紫外-可见吸收光谱,

(e)可见光光电流响应

文章发表:

1.        Modulation of Photocatalytic Properties by Strain in 2DBiOBr Nanosheets Haifeng Feng, Zhongfei Xu, Liang Wang, Youxing Yu, David Mitchell, DandanCui, Xun Xu, Ji Shi, Takumi Sannomiya, Yi Du*, Weichang Hao*, Shixue Dou. ACS Appl. Mater.Interfaces: 2015, 7: 27592-27596  


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