Cu/Ag掺杂与共掺对ZnO光催化性能的First-principles研究

"该研究通过第一性原理计算探讨了Cu/Ag单掺和Cu-Ag共掺对氧化锌（ZnO）光催化性能的影响。分析了掺杂原子的稳定性、电子结构变化以及光学特性，揭示了掺杂如何改变ZnO的带隙宽度和光吸收能力，从而提高其光催化效率。" 在这项研究中，科研人员利用第一性原理计算方法，深入研究了铜(Cu)和银(Ag)单个原子掺杂以及两者共同掺杂对ZnO材料的影响。他们发现，Cu在ZnO中的掺杂较为容易，且有聚集的趋势，这体现在CuZn2和CuZn1-CuZn3的形成能接近0或为负值。相比之下，Ag的掺杂难度较大，因为AgZn2及AgZn1-AgZn2、AgZn1-AgZn3的形成能较高，表明高浓度的Ag掺杂在实际制备中不太可能发生。 研究还指出，CuZn2、CuZn1-CuZn2和CuZn1-CuZn3模型中，Cu的3d轨道与氧(O)的2p轨道有显著杂化，导致价带顶部主要由Cu3d轨道占据。然而，AgZn2、AgZn1-AgZn2和AgZn1-AgZn3模型中，Ag的4d轨道与O2p轨道的杂化较弱，价带顶部主要由O2p轨道占据。对于Cu-Ag共掺模型，虽然Cu3d与O2p轨道有杂化，但价带顶部仍以O2p轨道为主。 Cu或Ag的掺杂显著改变了ZnO的电子结构，特别是使得Zn的4s轨道在导带区向下移动，减小了ZnO的带隙宽度。这种变化增加了ZnO对可见光的吸收，同时也增强了它在特定紫外光范围内的吸收，从而提高了光催化效率。Cu-Ag共掺的效果介于单掺Cu和单掺Ag之间，显示了更复杂的电子结构调整。 根据形成能分析，不同类型的掺杂中，CuZn1-CuZn2、AgZn2和CuZn1-AgZn2被识别为最佳的光催化模型。这些掺杂模型的吸收边红移，表明它们能够有效地捕获可见光，而对3.10~3.90eV范围内的紫外光吸收也超过了纯ZnO，这进一步证实了掺杂可以提升ZnO的光催化活性。 这项研究揭示了Cu和Ag单掺以及共掺对ZnO光催化性能的深刻影响，为设计和优化ZnO基光催化剂提供了理论指导，有助于开发出更高效的环保型光催化剂，应用于环境净化和能源转换等领域。