窄带隙β-CuFeO2铁电光催化剂性质及表面析氧反应特性

O647; 铜铁矿(delafossite)型CuFeO2具有窄带隙、良好稳定性被广泛用于光催化领域的研究,而其中心对称的层状结构使得光生载流子容易复合,限制了其光催化效果.β-CuFeO2是一种具有相稳定,窄带隙,强极化的本征铁电半导体,利用其内禀的铁电极化性质,构建光生电子空穴生成位点交替排列的[011]表面,在铁电内建电场作用下促进电荷分离,从而提升光催化性能.基于第一性原理计算,本文首先确定β-CuFeO2具有热力学稳定性,磁基态为C型反铁磁,且带隙为1.37 eV的直接带隙半导体,理论铁电极化为83.466 μC/cm2,是良好的光催化剂载体.进一步地,以表面析氧反应(OER)为模型...

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Published in应用化学 Vol. 41; no. 7; pp. 1010 - 1023
Main Authors 吕东昊, 徐兰兰, 刘孝娟
Format Journal Article
LanguageChinese
Published 中国科学技术大学,合肥 230026%中国科学院长春应用化学研究所,稀土资源利用国家重点实验室,长春 130022 01.07.2024
中国科学院长春应用化学研究所,稀土资源利用国家重点实验室,长春 130022
Subjects
DFT
密度泛函理论
Ferroelectric polarization
β-CuFeO2
第一性原理计算
光催化
析氧反应
铁电极化
First-principles calculation
Oxygen evolution reaction
Photocatalysts
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ISSN1000-0518
DOI10.19894/j.issn.1000-0518.240031

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Summary:O647; 铜铁矿(delafossite)型CuFeO2具有窄带隙、良好稳定性被广泛用于光催化领域的研究,而其中心对称的层状结构使得光生载流子容易复合,限制了其光催化效果.β-CuFeO2是一种具有相稳定,窄带隙,强极化的本征铁电半导体,利用其内禀的铁电极化性质,构建光生电子空穴生成位点交替排列的[011]表面,在铁电内建电场作用下促进电荷分离,从而提升光催化性能.基于第一性原理计算,本文首先确定β-CuFeO2具有热力学稳定性,磁基态为C型反铁磁,且带隙为1.37 eV的直接带隙半导体,理论铁电极化为83.466 μC/cm2,是良好的光催化剂载体.进一步地,以表面析氧反应(OER)为模型,通过构建非极化表面[100]、[010]和极化表面[001]、[011]研究铁电极化对OER的影响.结果表明,β-CuFeO2的表面价带顶氧化还原电势大部分大于水氧化电势(1.23 eV),且极化表面更易形成.此外,在极化方向上,完全暴露Cu-O原子,Cu,Fe原子层交替排列的[011]表面最易吸附水分子且具有最优OER催化活性.对[011]表面OER决速步骤进行电子结构分析,发现在*O中间体上具有2个电子口袋,反应生成'OOH后消耗一个电子口袋,即空轨道上得到电子.这是[011]极化方向表面OER决速步骤的内在机理.本工作构建了β-CuFeO2铁电半导体并通过理论模拟计算了其基本性质,构建了不同方向表面研究铁电极化对光催化OER活性的影响,将为铁电光催化剂设计提供理论依据.
ISSN:1000-0518
DOI:10.19894/j.issn.1000-0518.240031