[发明专利]一种筛选高效AB2

说明书

本发明公开一种筛选高效AB₂O₄型尖晶石半导体光催化材料的理论方法。本发明首先构建AB₂O₄型尖晶石型多元氧化物模型，随后基于第一性原理，对尖晶石模型进行充分的结构弛豫，进一步计算其电子性质及光吸收系数，利用绘图软件绘制能带结构图、分波态密度、电荷密度图，计算并分析不同组分尖晶石的形成焓，判断其热力学稳定性，依据半导体光催化材料的设计原理，分析尖晶石的禁带宽度、带边位置、光谱吸收特性，筛选高效尖晶石型光催化材料。本发明提供了一种研究筛选高效尖晶石型光催化材料的理论方法，为尖晶石型光催化材料的设计提供理论指导，缩短光催化材料的研发周期，降低研发成本。

技术领域

本发明涉及多元半导体型光催化材料的设计与开发领域，具体涉及一种基于第一性原理，计算尖晶石热力学稳定性、电子性质及光吸收性质的方法，其特征是首先采用元素替换法，构建出一系列新型AB₂O₄型尖晶石模型，并利用Quantum Espresso软件计算尖晶石的热力学稳定性、电子性质、光吸收性质，依据半导体光催化材料设计原理，筛选潜在稳定高效的尖晶石型光催化半导体，为尖晶石型光催化材料的设计提供理论支持。

技术背景

无机半导体光催化技术能够将低密度的太阳能转化为高密度的化学能，在解决能源及环境污染等问题方面具有重大的意义。如果半导体所吸收的光子能够全部转化为电子-空穴对，那么当吸收波长覆盖至800nm时，理论转化效率可高达32%。然而，现有光催化材料的量子转换效率仍旧远低于进行商业级应用要求的10%的转换效率，而且普遍存在着可见光转换效率差及光生电子空穴对复合率高的问题。新型高效稳定的半导体光催化材料仍是光催化技术所研究的主要对象。

在过去几十年间，半导体光电化学转换技术受到了研究者们广泛关注。研究表明多种块体材料、二维材料、异质结、有机-无机杂化材料等均可用于光催化领域。然而，目前应用范围最广、使用频率最高的半导体仍旧局限在单元及二元化合物范围内。相较于单元及二元半导体，多元半导体的种类更加丰富，而且其较大的混合熵有助于提高材料的稳定性。此外，多元半导体材料电子结构对其晶格内元素组成及占位十分敏感。因此极有可能在多元半导体材料范围内，根据不同应用领域对材料电子性质的需求，通过调节元素的组成及占位实现对材料电子结构的可控调节，获得理想的高效光催化材料。多种钙钛矿型、尖晶石型、铋基氧化物型以及有机聚合物型多元半导体材料都表现出了良好的光催化潜力。其中，尖晶石型半导体以其独特的晶体结构、价格低廉及稳定性良好等优势，受到了研究者们的广泛关注。

尖晶石型氧化物的化学通式为AB₂O₄，其四面体中心位置（A位）能够被碱土金属和过渡金属原子占据，八面体中心位置（B位）则通常由IIIA族元素、过渡金属甚至是一些四价金属元素占据。尖晶石晶格的稳定性对A\B位元素的排布不敏感，但晶格中四面体和八面体内部以及二者之间复杂的电子相互作用导致其光电化学活性对元素种类和排布的变换十分敏感。尖晶石这样的结构特征十分有利于新型光催化材料的筛选和设计。

目前，关于尖晶石型多元半导体在光催化领域应用的研究较少，并且现有研究主要集中在实验领域，实验的“炒菜式”新材料设计方法耗费大量人力财力，导致材料开发设计周期长、实验成本高。目前，尚未有从理论角度针对尖晶石型多元半导体其光电化学活性开展系统的研究和筛选，现阶段对于尖晶石内部的电子结构、光吸收及载流子分离和传输机制还没有完全明确。第一性原理计算已经成功应用于新型光催化材料的探索和筛选，其不仅可以验证与解析实验结果，而且可以从电子和原子尺度深入探讨尖晶石内部的电子结构及光吸收特性，筛选潜在稳定高效的新型尖晶石型光催化材料，节约研发成本，为新型高效多元半导体型光催化材料的开发和设计提供理论指导。

发明内容