Eenlagige fosfor-koolstof nanobuis heterostructuren voor fotokatalyse:analyse door functionele dichtheidstheorie

Resultaten en discussie

Geometrische structuur en formatie-energie

Experimentele bewijzen tonen aan dat of de CNT van metaal of halfgeleidend is, nauw samenhangt met hun buisdiameter (D) en de helix van de rangschikking van grafitische ringen in hun wanden [34]. De controlerende diameter bij de fabricage van enkelwandige koolstofnanobuisjes (SWNT)-arrays is een cruciaal aspect voor het bepalen van hun eigenschappen en hun integratie in praktische apparaten [35,36,37]. Om het effect van de buisdiameter op de interface-interactie in de CNT/BP-heterostructuren te verduidelijken, zijn zeven zigzag enkelwandige CNT's met verschillende diameters variërend van 2,35 tot 7,83 "(zie tabel 1) gekozen.

Figuur 1 toont het zij- en bovenaanzicht van de geoptimaliseerde geometrische structuren voor vier representatieve CNT/BP heterostructuren:(5,0) CNT/BP, (6,0) CNT/BP, (9,0) CNT/BP en ( 10,0) CNT-BP-hybriden, respectievelijk. Voor de geoptimaliseerde CNT-BP-hybriden zijn de evenwichtsafstanden tussen de nanobuiswand en het bovenste P-atoom van monolaag BP 2,80 ~ 2,93 (zie tabel 1), wat ongeveer vergelijkbaar is met die tussen monolaag BP (of CNT) en andere materialen (3,49 Å voor grafeen/BP [22], 3,46 Å voor BN/BP [22], 2,15-3,60 Å voor BP/monolaag TMD [38], 2,78-3,03 Å voor MoS₂ /CNT [39], 2,73-2,86 Å voor CNT/Ag₃ PO₄ [40]). Een dergelijke grote evenwichtsafstand laat zien dat de CNT's interageren met monolaag BP door een zwakke vdWs-kracht. Na optimalisatie zijn de CNT's en monolaag-BP in de hybriden bijna onveranderd, wat verder aangeeft dat de CNT-BP-interactie inderdaad vdW is in plaats van covalent, in overeenstemming met de resultaten van de anderen [32].

De geoptimaliseerde geometrie voor verschillende CNT's op monolaag BP:a1 –d1 en a2 –d2 zijn zij- en bovenaanzicht voor respectievelijk (5, 0), (6, 0), (9, 0) en (10, 0) CNT's. De evenwichtsafstand tussen de nanobuiswand en de bovenste P-atoomlaag wordt aangegeven met d . Grijze en roze bollen vertegenwoordigen respectievelijk C- en P-atomen

De stabiliteit van de CNT/BP-hybriden kan worden beoordeeld op basis van hun absorptie-energie:

waar E_kam , E_CNT , en E_BP is de totale energie van respectievelijk de ontspannen CNT/BP, pure CNT en monolaag BP. In overeenstemming met de bovenstaande definitie is de negatieve E _f houdt in dat de interface stabiel is. Alle vormingsenergie voor CNT/BP-hybriden is negatief, bijna monotoon afnemend van − 0,5930 tot − 1,6965 eV met toenemende buisdiameter (zoals te zien in tabel 1). Als resultaat is het gemakkelijk om te concluderen dat deze hybriden de hoge thermodynamische stabiliteit en een vrij sterke interactie tussen CNT en monolaag BP hebben. Het is echter moeilijk te onderscheiden dat de interfacekoppeling tussen de (10,0) CNT en BP sterker is dan die voor (3,0) CNT/BP op basis van hun vormingsenergie. In feite zouden de CNT(9,0)/BP en CNT(10,0)/BP hybriden met lagere vormingsenergie gemakkelijker gevormd kunnen worden vanwege hun grotere contactoppervlak van de CNT met BP.

Bandstructuur en dichtheid van staten

Om het effect van CNT op de elektronische eigenschappen van monolaag-BP te onderzoeken, worden de bandstructuren en dichtheid van toestanden (DOS's) voor bulk-BP, monolaag-BP, pure CNT en CNT/BP-hybriden berekend (figuren 2 en 3; Tafel 1). Figuur 2e en f laten zien dat het maximum van de valentieband (VB) en het minimum van de geleidingsband (CB) in onze berekende bulk-BP en monolaag-BP zich op het G-punt van de Brillouin-zone bevinden, wat een bevestiging is van de duidelijke directe bandafstand (E _g ) halfgeleider met 0.3 en 0.94 eV, consistent met eerdere onderzoeksresultaten [41] en hun DOS's (Fig. 3d, d *). Bovendien kan ook worden gezien dat de bovenkant van VB meer verspreid is dan de onderkant van CB voor BP en de hybriden, wat suggereert dat de door foto gegenereerde gaten kleinere effectieve massa's hebben. De elektronische eigenschappen in BP en de CNT/BP-hybriden kunnen de scheiding van elektron-gatparen tijdens het reactieproces bevorderen en resulteren in een goede fotokatalytische activiteit.

Bandstructuren voor de hybriden a CNT(5,0)/BP, b CNT(6,0)/BP, c CNT(9,0)/BP, d CNT(10,0)/BP, e monolaag BP, f bulk BP, respectievelijk. De horizontale stippellijn is Fermi-niveau

DOS's voor de hybriden (a ) CNT(5,0)/BP, (b ) CNT(6,0)/BP, (c ) CNT(9,0)/BP, (d ) monolaag BP, (a *) halfgeleidend (5,0) CNT, (b *) metaal (6,0) CNT, (c *) metallic (9,0) CNT, en (d *) respectievelijk bulk-BP. Het Fermi-niveau staat op nul.

Figuur 3 toont de dichtheid van toestanden (DOS's) van individuele CNT, BP en hun hybriden. Zoals te zien is in deel c* van Fig. 3, (9, 0) is CNT van metaal, wat goed overeenkomt met de eerdere onderzoeken [40]. Na aandachtig te hebben gekeken naar Fig. 3, is het gemakkelijk om te concluderen dat elke component van de gecombineerde DOS's zeer weinig verandert ten opzichte van die van individuen in de CNT/BP-hybriden, waardoor in feite de aard van hun respectievelijke DOS's als geïsoleerde individuen behouden blijft, wat indicatief is voor het bestaan ​​van inderdaad zwakke vdW-interactie op de CNT-BP-interface en komt overeen met een grote evenwichtsafstand tussen de CNT en monolaag-BP in de hybriden (2.80〜2.93 Å).

De berekende bandafstanden van de halfgeleidende (5, 0), (7, 0), (8, 0) en (10, 0) CNT-BP-hybriden zijn respectievelijk 0,190, 0,315, 0,375 en 0,863 eV, zoals vermeld in Tabel 1. In het bijzonder, aangezien de metalen (3,0), (6,0) en (9,0) CNT's zijn gekoppeld aan BP, openen alle metalen CNT's een bandgap vanwege het stresseffect, vergelijkbaar met de eerder werk in CNT/MoS2-hybriden [40]. En nog interessanter, de variatie van bandafstand in de CNT/BP-hybriden is in een monotone toename met de buisdiameter, wat aangeeft dat de invloed van CNT op de elektronische eigenschappen van de BP verband houdt met de buisdiameter. Daarom is het een effectieve benadering voor de CNT / BP-hybriden om hun bandafstand af te stemmen op CNT-buisdiameter. In de CNT/BP-hybriden zijn alle berekende bandgaps klein (< 0.9 eV, zoals vermeld in tabel 1). Dergelijke bandhiaten zorgen ervoor dat de CNT / BP-hybriden het meeste zonlicht absorberen, waardoor meer fotogegenereerde elektronen worden geëxciteerd van de valentieband (VB) naar de geleidingsband (CB) van de heterostructuren, waardoor de fotokatalytische prestaties van CNT / BP worden verbeterd in vergelijking met monolaag BP.

Hoewel de kleine bandafstand om zichtbaar licht op te vangen, dat ongeveer 50% aan zonnestralingsenergie bijdraagt, een belangrijke rol speelt in het fotokatalytische effect, lijkt het geen unieke rol te spelen. Eigenlijk is de effectieve scheiding van fotogegenereerde ladingsdragers ook een belangrijke factor voor het verbeteren van de fotokatalytische prestatie [3]. Zoals duidelijk wordt aangetoond in Fig. 3, is elke component van de gecombineerde DOS's in de CNT/BP-hybriden onderling versprongen in de buurt van het Fermi-niveau. Daarom kunnen zulke kleine bandgaps in CNT/BP-hybriden worden begrepen in een eenvoudig mechanisme dat de C2p-toestanden van CNT in de opening van monolaag-BP verschijnen. Er is ook gevonden dat de elektronische structuur van de CNT/BP-hybride met bijna een opening varieert met de buisdiameter. Omdat de kleine CNT's (zoals (5, 0) en (6, 0) buizen) worden gecombineerd met monolaag BP, zijn hun energieniveaus ingebed in de bandafstand van monolaag BP (Fig. 3a, b), die meer kan zijn duidelijk te zien aan de elektronendichtheidsverdelingen van de hoogste bezette en laagste onbezette niveaus (HOL en LUL), zoals aangetoond in Fig. 4. Het hoogste bezette niveau (HOL) is samengesteld uit C2p-toestanden en een kleine P-toestanden in CNT(6 , 0)/BP, zelfs alleen gevormd door C 2p-toestanden in CNT(5, 0)/BP, waar hun laagste onbezette niveaus (LUL) allemaal zijn samengesteld uit de C 2p-banen die een kleine P-toestand vermengen. Als resultaat vertoonden de CNT(5, 0)/BP en CNT(6, 0)/BP type I heterojuncties [42]. Voor praktische doeleinden als fotokatalyse is een dergelijke banduitlijning niet gunstig voor de scheiding van door foto gegenereerde elektron-gatparen, maar recombineert ze gemakkelijk op CNT. Bijgevolg zou de CNT een rol kunnen spelen in recombinatiecentra en de fotokatalytische activiteiten van CNT/BP-hybriden verminderen. Integendeel, aangezien CNT's met een grote diameter (9, 0) zijn gekoppeld aan monolaag BP, zijn hun energieniveaus verspringend (figuur 3c), waardoor heterojuncties van type II worden gevormd. Dit wordt ook verder bevestigd door de twee meest rechtse kolommen in Fig. 4:LUL is C-statussen en HOL is P-statussen.

Kaarten van de elektronen- en gatendichtheidsverdelingen voor LUL (a –c ) en HOL (a *–c *) voor de hybride (a ) CNT(5,0)/BP, (b ) CNT(6,0)/BP, (c ) CNT(9,0)/BP. De blauwe en gele vertegenwoordigen de elektronen- en gatendichtheidsverdelingen voor respectievelijk LUL en HOL; de isowaarde is 0,007 e/Å ³ . Hierin worden HOL en LUL bepaald door respectievelijk de hoogste bezette en laagste onbezette niveaus

Bij fotokatalyse wordt aangenomen dat een dergelijke type II-banduitlijning een opmerkelijke invloed heeft op de efficiënte scheiding van de door foto gegenereerde elektron-gatparen. Onder lichtbestraling kunnen de elektronen direct worden geëxciteerd van monolaag BP naar CNT's en resulteren in een efficiënte ladingsscheiding tussen de twee bestanddelen. Bovendien is het vormen van een type II heterostructuur een effectieve benadering om het fotoresponsgebied uit te breiden. Als gevolg hiervan is een grote diameter van (9, 0) CNT's een sensibilisator voor monolaag BP. Deze resultaten hebben aangetoond dat het koppelen van CNT's met een grote diameter op de monolaag BP een goed gekozen weg zou moeten zijn om een ​​hoge fotoactiviteit te bereiken.

Laaddichtheidsverschil en mechanismeanalyse

Alle veranderingen van de hierboven genoemde DOS's zijn afkomstig van grensvlakinteractie tussen de betrokken bestanddelen, en de grensvlakinteractie is sterk gecorreleerd met ladingsoverdracht in heterojuncties. Eigenlijk kan het worden begrepen in een eenvoudig mechanisme dat gebaseerd is op de mate van ladingsoverdracht op de interface:hoe sterker de koppeling en hoe meer ladingsoverdracht. Gebaseerd op 3D-ladingsdichtheidsverschil, kan de ladingsoverdracht en herverdeling bij de interface in deze hybriden worden geëvalueerd (zoals getoond in Fig. 5) door de volgende relatie:

3D Ladingsdichtheidsverschillen voor (a1 ) CNT(5,0)/BP, (b1 ) CNT(6,0)/BP, (a2 ) CNT(9,0)/BP, en (b2 ) CNT(10,0)/BP. Het geel en blauw vertegenwoordigen respectievelijk accumulatie en uitputting van lading; de isowaarde is 0,0015 e/Å ³ (c1 ). (c2 ) Profiel van de vlakke gemiddelde zelfconsistente elektrostatische potentiaal voor de (a1 ) CNT(5,0)/BP, (b1 ) CNT(6,0)/BP, (a2 ) CNT(9,0)/BP, en (b2 ) CNT(10,0)/BP als functie van positie in de z-richting. (d1 ), (d2 ) Profiel van het vlakke gemiddelde ladingsdichtheidsverschil voor de (a1 ) CNT(5,0)/BP, (b1 ) CNT(6,0)/BP, (a2 ) CNT(9,0)/BP, en (b2 ) CNT(10,0)/BP als functie van positie in de z-richting. De horizontale stippellijn is de positie van zowel de onderste laag van het CNT-oppervlak als het bovenste p-atoom in monolaag BP

waar ρ _{CNT /BP} , ρ _BP , en ρ _CNT duiden respectievelijk de ladingsdichtheden van de hybriden, monolaag BP en CNT in dezelfde configuratie aan. In Fig. 5 vertegenwoordigen de blauwe en gele respectievelijk accumulatie en uitputting van de lading. Het is duidelijk dat de herverdeling van de lading zichtbaar is vanwege de interactie in de CNT / BP-hybride, waarbij alle C-atomen in CNT, het bovenste p-atoom in BP, betrokken zijn (Fig. 5a1-b2). Bovendien wordt een sterke ladingsdepletie (blauw deel in Fig. 5) voornamelijk gevonden van bovenste p-atomen in BP. Dit geeft aan dat CNT's aantrekkelijker zijn voor elektronen, wat nuttig is voor het verbeteren van de stabiliteit van de monolaag-BP-fotokatalysator.

Het kwantitatieve resultaat van ladingsoverdracht en herverdeling is uitgezet in Fig. 5d1 en d2 door het vlakke gemiddelde ladingsdichtheidsverschil langs de richting loodrecht op de monolaag BP. De horizontale stippellijnen zijn de posities van zowel de onderste laag van de CNT als het bovenste p-atoom van monolaag BP. De positieve (negatieve) waarden duiden op elektronenaccumulatie (uitputting). De grootste efficiënte elektronenuitputting gelokaliseerd boven de p-atomen van monolaag BP is ongeveer -1,29 × 10 ⁻² e/Å ³ in de CNT/BP-hybriden, terwijl de grootste efficiënte elektronenaccumulatie gelokaliseerd op de laagste laag C-atomen ongeveer 1,41 × 10 ⁻² is , 1.63 × 10 ⁻² , 1.84 × 10 ⁻² , en 1,96 × 10 ⁻² e/Å ³ in de CNT(5,0)/BP, CNT(6,0)/BP, CNT(9,0)/BP en CNT(10,0)/BP hybriden. Dit toont aan dat de interfaciale interactie tussen de CNT en de monolaag BP sterker wordt met toenemende diameter van de CNT, wat kan worden veroorzaakt door de toename van het contactgebied tussen de CNT en de BP met toenemende diameter van de CNT.

De kwantitatief ladingsvariatie aan het grensvlak kan ook worden bepaald door een Mulliken-populatieanalyse van de pseudopotentiaalberekeningen van de vlakke golf op de CNT-, monolaag-BP- en CNT/BP-hybriden. Figuur 6 toont de resultaten van de Mulliken-lading op C- en P-atomen in de CNT/BP-hybriden, waarin verschillende typische waarden worden weergegeven. Het bovenste p-atoom van monolaag BP heeft een Mulliken-lading van 0,01. De ladingsvariatie verklaart dat de bovenste P-atomen van de CNT/BP-hybriden meer elektronen zouden verliezen dan die in de geïsoleerde monolaag BP (een Mulliken-lading die nul nadert in zuivere monolaag BP).

Kostenverdelingskaarten van (a ) CNT(5,0)/BP en (b ) CNT(6,0)/BP met een isowaarde van 0,005 e/Å ³ . Grijze en roze bollen stellen C- en P-atomen voor

Hoewel de C-atomen in de CNT een Mulliken-lading hebben die nul nadert, hebben die C-atomen in de CNT/BP-hybriden verschillende Mulliken-ladingen omdat de interfaciale interactie gevarieerd is. Figuur 6 laat zien dat het onderste laag C-atoom nabij monolaag BP een Mulliken-lading heeft van − 0.01 en − 0.02 in de CNT(5,0)/BP en CNT(6,0)/BP hybriden, wat verder de verbetering van de interfaciale interactie weergeeft met toenemende diameter van nanobuisjes, wat overeenkomt met een toenemend contactoppervlak in de CNT/BP-hybriden.

De effectieve nettolading van het ene bestanddeel naar het andere in deze composieten kan worden bestudeerd met de Bader-methode, zoals vermeld in tabel 1. De berekende Bader-lading laat zien dat een bepaalde lading wordt overgedragen van BP naar CNT's, wat leidt tot doping van de BP, wat in lijn is met het vlakke gemiddelde ladingsdichtheidsverschil. Interessant is dat de hoeveelheid lading die in deze hybriden wordt overgedragen, afhangt van de buisdiameter. Wanneer de buisdiameter groot wordt (2,35-7,8 Å), nemen de elektronen die van BP naar CNT worden overgedragen in de CNT-hybriden (tabel 1) ook toe (0,004-0,142), in overeenstemming met het feit dat de eerste het toenemende grensvlakcontactoppervlak heeft in de CNT/BP-hybriden.

De grensvlakladingsoverdracht zal resulteren in de variatie van de elektrostatische potentiaalverdeling op het grensvlak in de hybriden. Figuur 5c1 en c2 tonen een specifieke positie in de z-richting afhankelijkheid van het profiel van de vlakke gemiddelde zelfconsistente elektrostatische potentiaal voor de CNT/BP-hybriden. Op het grensvlak kan een potentiaalverschil van ~ 0.39 eV tussen CNT en monolaag BP worden waargenomen voor CNT(9,0)/BP en CNT(10,0)/BP, terwijl het gemiddelde elektrostatische potentiaalverschil 0,37 eV is voor CNT( 5,0)/BP en CNT(6,0)/BP, waar er een kleine verandering van potentiaal is op de interface. Onder lichte bestraling kan het ingebouwde potentieel op de CNT-BP-interface de scheiding en migratie van fotogegenereerde dragers in de hybriden verbeteren, wat de fotokatalytische activiteit en stabiliteit van de CNT/BP-fotokatalysator aanzienlijk zou verbeteren.

Optische eigenschappen

Om de optische eigenschappen van monolaag BP en CNT/BP hybriden te beoordelen, hun denkbeeldige delen ɛ₂ van de diëlektrische functie worden berekend uit de momentummatrixelementen tussen de bezette en onbezette golffuncties op basis van de Fermi-gouden regel binnen de dipoolbenadering door de volgende vergelijking:

$$ {\varepsilon}_2=\frac{v{e}^2}{2\pi \mathrm{\hbar}{m}^2{\omega}^2}\int {d}^3k{\sum }_{n,n\prime }{\left|\left\langle kn\left|p\right| kn\prime \right\rangle \right|}^2f(kn)\left(1-f\left( kn^{\prime}\right)\right)\delta \left({E}_{kn}- {E}_{kn\prime }-\mathrm{\hbar}\omega \right) $$ (3)

waar ɛ ₂ , ħɷ , p, (| kn 〉), en f (kn ) zijn het denkbeeldige deel van de diëlektrische functie, de energie van het invallende foton, de impulsoperator r (ħ /ik )(∂ /∂x ), respectievelijk een kristalgolffunctie en Fermi-functie. Het echte deel ε ₁ (ω) van de diëlektrische functie kan worden verkregen uit het denkbeeldige deel volgens de Kramers-Kronig-relatie. De optische absorptiecoëfficiënt I(ω) kan worden geëvalueerd met behulp van de volgende formule:

$$ I\left(\omega \right)=\sqrt{2}\omega {\left[\sqrt{\varepsilon \frac{2}{1}\left(\omega \right)+{\varepsilon}_2 ^2\left(\omega \right)}-{\varepsilon}_1\left(\omega \right)\right]}^{\raisebox{1ex}{$1$}\!\left/ \!\raisebox{ -1ex}{$2$}\right.} $$ (4)

De bovenstaande relaties zijn de theoretische basis van bandstructuur en optische eigenschappen om het mechanisme van absorptiespectraal veroorzaakt door elektronische overgang tussen verschillende energieniveaus te verklaren. Figuur 7 toont de berekende UV-vis absorptiespectra van monolaag BP en CNT/BP hybriden. De absorptierand van monolaag BP bevindt zich naast 0,93 eV, wat overeenkomt met de intrinsieke overgang van de 3s naar de 3p-orbitalen. De optische absorptierand van de CNT/BP-hybride verschuift naar de langere golflengte dan die van zuivere monolaag BP vanwege hun verminderde bandafstanden (zie Fig. 7), als gevolg van de elektronenovergang van de C 2p- naar P 3P-toestanden, of C 2p tot C 2p toestanden.

Berekende absorptiespectra van de CNT/BP-hybriden en zuivere monolaag BP

De sterke absorptie-intensiteit is een van de belangrijkste factoren voor een superieure fotokatalysator. Vergeleken met die van monolaag BP zoals geïllustreerd in Fig. 7, kan de optische absorptie van CNT/BP-hybriden significant worden verbeterd in het zichtbaar-lichtgebied. Het is begrijpelijk om te denken dat de zwakke optische absorptie van pure BP in het vis-light-gebied wordt toegeschreven aan de kleine waarden van s−p-matrixelementen in Vgl. 3 vanwege de zeer lage 3p-statussen in de CB-bodem. Voor de CNT / BP-hybriden zijn C 2p- en P 3p-gehybridiseerde orbitalen overheersende componenten in het onderste deel van CB en VB-top (Fig. 3). De grote toestanden nabij de bandgap van deze CNT/BP-hybriden komen overeen met de grote waarden van s −p en p −p matrixelementen in Vgl. 3. Daarom wordt de lichtabsorptie van deze CNT/BP-hybriden verbeterd in het gebied van zichtbaar licht (Fig. 7).

Voor de CNT/BP-hybriden is de oorsprong van de verbeterde fotokatalytische activiteit en stabiliteit als volgt. Ten eerste geven de C 2p-toestanden van CNT's ingebed in de bandafstand van BP (figuur 3) aanleiding tot meer gebonden elektronen die deelnemen aan de interbandovergangen, wat niet alleen het absorptiebereik vergroot, maar ook de absorptie-intensiteit verhoogt in vergelijking met hun individuen . Ten tweede laten experimentele resultaten zien dat de BP/CNT's een lage equivalente weerstand hebben, 13 keer lager dan die van BP [43]. De waargenomen uitstekende elektrokatalytische activiteit en stabiliteit van BP-CNT's is veel hoger dan die van BP, wat is toegeschreven aan een veel lagere weerstand tegen ladingsoverdracht van BP/CNT's in vergelijking met die van BP [27]. In de CNT/BP-hybriden spelen CNT-netwerken met een groot oppervlak en een hoge geleidbaarheid een sleutelrol als snelle geleidende brug en kunnen ze de elektrische geleidbaarheid van de BP-katalysator aanzienlijk verbeteren. Daarom kunnen de fotogegenereerde ladingen vrijelijk langs het geleidende netwerk van de CNT-bundel worden gependeld onder bestraling met vis-licht, en de foto-geëxciteerde ladingsdragers kunnen effectief worden gescheiden en overgedragen, wat resulteert in een lage recombinatiesnelheid van de drager en een hoge fotokatalytische activiteit. Wat nog belangrijker is voor de CNT (9, 0) / BP-hybriden, zorgt het vormen van een type II heterojunctiebanduitlijning (Fig. 4) ervoor dat de foto-geëxciteerde elektronen en gaten naar verschillende zijden van heterojunctie bewegen en vervolgens resulteren in een efficiënte ruimtelijke scheiding van elektron– gatenparen vóór recombinatie [42]. Bovendien zijn sommige neutrale C-atomen geladen vanwege ladingsoverdracht in CNT's, die actieve sites zullen worden van aanvankelijk katalytisch inert te zijn, waardoor de CNT's een zeer actieve co-katalysator in deze hybriden zijn. Bovendien nam het aantal actieve plaatsen aanzienlijk toe door het verlies van elektronen tijdens het fotokatalytische proces. De synergetische effecten van de bovenstaande factoren kunnen resulteren in verbeterde vis-licht fotokatalytische prestaties van de CNT/BP-hybriden. Op basis van de bovenstaande analyse zou het koppelen van CNT aan de BP-halfgeleider de fotokatalytische activiteit van BP verbeteren.

Conclusies

Samenvattend hebben we de mogelijke toepassingen van de CNT/BP-composieten in fotokatalyse onderzocht door de elektronische en optische eigenschappen te analyseren in het kader van DFT. Onze resultaten laten zien dat de CNT/BP-hybriden een kleine bandafstand hebben (<~0,8 eV), wat resulteert in een sterke absorptie in niet alleen het vis-lichte gebied, maar ook het nabij-infrarode spectrale gebied. Wat nog belangrijker is, een type II heterojunctie kan de foto-geëxciteerde ladingsdragers in CNT(9,0)/BP-hybride effectief scheiden en de scheiding van foto-geëxciteerde elektronen en gaten vergemakkelijken. Het is dus redelijk om te concluderen dat CNT/BP-hybriden een goede kandidaat zouden zijn als fotokatalysator, wat kan bijdragen aan de ontwikkeling van zeer efficiënte op fosforeen gebaseerde of op CNT gebaseerde nanofotokatalysatoren.

Beschikbaarheid van gegevens en materialen

De datasets die zijn gegenereerd tijdens en/of geanalyseerd tijdens het huidige onderzoek zijn op aanvraag verkrijgbaar bij de corresponderende auteur.

Afkortingen

CNT:

Koolstof nanobuisje

BP:

Fosforeen

DFT:

Dichtheidsfunctionaaltheorie

vdW:

van der Waals

OER:

Zuurstofontwikkelingsreactie

PBE:

Perdew−Burke−Ernzerh

GGA:

Gegeneraliseerde gradiëntbenadering

DOS:

Dichtheid van staten

VB:

Valentieband

CB:

Geleidingsband

HOL:

Hoogst bezette niveaus

LUL:

Lowest unoccupied levels.