摘要
在新清洁能源开发和有机物污染处理方面，安全环保的半导体光催化技术成为当前科学研究的热点。具有可见光响应的钒酸铋(BiVO4)是一种新型半导体光催化剂，提高其对太阳光的利用率及其光电子化学传输性能，在光催化制氢及光催化降解有机物方面极具应用前景。 基于密度泛函理论(DFT)，利用修正库仑相互作用的珀杜-布克-恩泽霍夫泛函(PBE+U)方法，本论文研究单斜相钒酸铋(m-BiVO4)中点缺陷的形成和稀土离子掺杂的稳定性和缺陷对电子结构的影响，由此探索m-BiVO4体系的光催化性能及其调控机理。从点缺陷形成能和跃迁能级考虑，缺陷包含铋空位(Bivac),钒空位(Vvac),氧间隙位(Oint)以及铈占据钒位(CeV)，这些缺陷在单斜钒酸铋中被认为是浅受体。 电子结构计算表明，对于单斜钒酸铋中的铈(Ce)掺杂，在贫铋(Bi-poor)或贫钒(V-poor)条件下，Ce对Bi的取代在单正电荷状态下是积极有利的，而在富氧(O-rich)条件下，Ce对V的取代在单负电荷状态下是有利的。在Ce原子占Bi原子位，带有一个正电荷(CeBi1+)的情况，主要由Ce元素的4f轨道组成的空穴区域，由于没有占据深能级而降低了光催化活性，这使得该缺陷成为光电子空穴复合中心，与实验结果一致。对于Ce原子占据V原子位，带一个负电荷(CeV1-)的情况，带隙内没有发现局域态，它的形成能对化学势和费米能都很敏感。这表明在Bi-poor/V-poor和O-rich的条件下，可消除深层态并改善光催化性能。此外，研究结果表明，由于在价带最小值(VBM)附近有一个填满的中间隙态，该态作为一个重组中心，Ce掺杂可能导致m-BiVO4载流子迁移率的降低。因此，探索Ce掺杂m-BiVO4的生长条件，通过抑制和控制有害缺陷的形成，可进一步提高其光催化活性。这些结果可以为分析高光催化活性实验及机理提供基本的理解。本论文结果为通过合理设计缺陷结构，控制合成条件，有效提高m-BiVO4光催化活性，提供了新途径，在能源和环境方面有潜在应用。
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