光触媒用の単層フォスフォレン-カーボンナノチューブヘテロ構造：密度汎関数理論による分析

背景

新たに出現した2次元（2D）層状黒リンであるフォスフォレン（BP）[1、2]は、非常に高いなどの並外れた特性により、エネルギー貯蔵、触媒作用、センサーアプリケーション[3]への関心が急上昇しています。穴の移動度（10,000 cm ² V ^-1 s ^-1 ）[4]および広く調整可能なバンド構造（0.3–2 eV）[5、6]。しかし、BPは周囲条件で外部の水や酸素などの小分子を容易に吸収するため、不安定になり、実用化に支障をきたします[7,8,9,10]。最近の研究では、BPと他のナノ材料との間のファンデルワールス（vdW）ヘテロ構造の形成により、BPの表面に接触阻害剤として成長した他のナノ材料が、周囲条件からの小分子との反応を妨げる可能性があるため、その安定性が大幅に向上することが示されています。 [11、12、13、14、15、16、17]。 Chen etal。 BN-BPヘテロ構造の電気的性能は、周囲条件に丸1週間さらされた後も劣化を示さないと報告しました[11]。元ら。 BP / MoS ₂ 複合材料は、高い安定性と優れた光触媒活性を示します（可視光照射下での裸のBPの62倍の水素生成速度）[12]。

グラフェン、カーボンナノチューブ（CNT）、フラーレンなどの低次元カーボンナノ材料は、その独特の物理的および化学的特性のために広く適用されてきました[18、19、20]。さまざまなカーボンナノ材料/ BP複合材料は、明確な電子および光電子アプリケーションに対応するための孤立したフォスフォレンと比較して、高い安定性と優れた光電子特性により設計および合成されています[21、22、23、24、25]。 BPは、グラフェンによって少なくとも数か月は薄い不動態化層として安定化されます[26]。 BP / g-C ₃ N ₄ ハイブリッドは、H ₂ に対して優れた安定した光触媒活性を示します 可視光下でのRhBの進化と急速な分解[24]。特に、Chen etal。熱気化変換法により、赤リンからBPへの直接調製されたCNT / BP 1D / 2Dヘテロ構造は、市販のRuO _{2に匹敵する高い安定性と効率的な酸素発生反応（OER）活性を示します。} 独自の幾何学的および電子的特性のために電極触媒[27]。 CNTを組み込んだBPシートは N を添加して製造されています -メチル-2-ピロリドンベースのBP溶液を単層CNT水溶液に溶解し、電荷移動特性を改善し、再結合率を抑制し、周囲条件での安定性を高めます[28]。

光触媒としてのCNT / BPヘテロ接合の応用可能性を活用するために、電子構造と界面相互作用を大規模密度汎関数理論（DFT）計算によって体系的に調査します。 CNTの電子構造は直径によって変化し[29]、したがってCNT / BPナノコンポジット。さらに重要なことに、（5,0）、（7,0）、（8,0）、および（10,0）CNTは半導体であり、（3,0）、（6,0）、および（9、 0）CNTは本質的に金属です。したがって、実験で使用されるカーボンナノチューブは通常、金属管と半導体管の混合物であるため、調査したCNT / BP複合材料は優れた光電活性の正確なメカニズムを解明するための代表的なものです。ここでは、CNT / BPハイブリッドの界面相互作用が弱いvdW相互作用であり、CNTのチューブ直径に関連していることを明示的に示します。すべてのCNT / BPハイブリッドは、個々のBPおよびCNTと比較して、バンドギャップが小さく（<0.8 eV）、強い光吸収を示します。 CNT / BPハイブリッドの直径に依存するI型またはII型ヘテロ接合が観察されます。 CNTはBPの安定性を効果的に改善することができます。これらの発見は、CNT / BPハイブリッドが光触媒として優れた候補であり、高効率のフォスフォレンベースまたはCNTベースのナノ光触媒の開発に貢献できることを示しています。

メソッド

CNT / BPヘテロ構造を構築するために、（1×1×1）CNTは、それぞれ典型的な〜0.43nmのCNTを表すために使用されます。計算されたスーパーセルは、（1×5）単層BP（20個のP原子を含む）と、軸方向の長さが4.26Åのさまざまなカーボンチューブで構成されています。これはわずかな軸方向の歪みを引き起こすだけで、1.3％の格子不整合につながります。スーパーセルでの人工的な相互作用を回避するために、すべてのハイブリッドの真空深度は15Åと大きくなっています（4.4×16.5×28Å ³ ）。すべての理論計算は、平面波基底CASTEPコード[30]に実装されている密度汎関数理論（DFT）法を使用して実行されます。 Perdew-Burke-Ernzerh（PBE）タイプの一般化勾配近似（GGA）交換相関汎関数[31]が選択されています。 PBE汎関数はバンドギャップを過小評価する可能性がありますが、BP / CNTハイブリッドで計算された特徴と傾向は依然として定性的に信頼できるはずです[32]。層間ファンデルワールス（vdW）相互作用は、グリムのDFT-D2法の半経験的補正スキームを使用して考慮する必要があります[33]。 5×8×1ポイントのkポイントのMorkhost-Packメッシュを使用して、ジオメトリの最適化と状態密度（DOS）の計算のために2次元のブリルアンゾーンをサンプリングします。平面波のカットオフエネルギーは400eV、総エネルギーになるように選択され、原子にかかるすべての力は10 ^-6 未満に収束します。 それぞれeVと0.01eV /Å。

結果と考察

幾何学的構造と形成エネルギー

実験的証拠は、CNTが金属であるか半導体であるかは、それらのチューブの直径（D）およびそれらの壁のグラファイトリングの配置のヘリシティと密接に関連していることを示しています[34]。単層カーボンナノチューブ（SWNT）アレイの製造における直径の制御は、それらの特性と実際のデバイスへの統合を決定するための重要な側面です[35、36、37]。 CNT / BPヘテロ構造の界面相互作用に対するチューブの直径の影響を明らかにするために、2.35〜7.83Åの範囲の異なる直径を持つ7つのジグザグ単層CNTを選択します（表1を参照）。

図1は、4つの代表的なCNT / BPヘテロ構造（（5,0）CNT / BP、（6,0）CNT / BP、（9,0）CNT / BP、および（9,0）CNT / BP）の最適化された幾何学的構造の側面図と上面図を示しています。 10,0）それぞれCNT-BPハイブリッド。最適化されたCNT-BPハイブリッドの場合、ナノチューブ壁と単層BPの上部P原子の間の平衡距離は2.80〜2.93Å（表1を参照）であり、単層BP（またはCNT）と他の材料の間の平衡距離にほぼ匹敵します。 （グラフェン/ BP [22]の場合は3.49Å、BN / BP [22]の場合は3.46Å、BP /単層TMD [38]の場合は2.15–3.60Å、MoS ₂ の場合は2.78–3.03Å / CNT [39]、CNT / Ag ₃ の場合は2.73〜2.86Å PO ₄ [40]）。このような大きな平衡距離は、CNTが弱いvdWs力を介して単分子層BPと相互作用することを示しています。最適化後、ハイブリッドのCNTと単層BPはほとんど変化せず、他の結果と一致して、CNT-BP相互作用が共有結合ではなく実際にvdWであることをさらに示しています[32]。

単層BP上のさまざまなCNT用に最適化された形状： a1 – d1 および a2 – d2 は、それぞれ（5、0）、（6、0）、（9、0）、および（10、0）CNTの側面図と上面図です。ナノチューブ壁と最上部のP原子層の間の平衡間隔は d で表されます。 。灰色の球とピンクの球は、それぞれC原子とP原子を表します

CNT / BPハイブリッドの安定性は、吸収エネルギーに応じて評価できます。

ここで、E _comb 、E _CNT 、およびE _BP は、それぞれ緩和されたCNT / BP、純粋なCNT、および単分子層BPの総エネルギーです。上記の定義に従って、負の E _f インターフェイスが安定していることを意味します。 CNT / BPハイブリッドのすべての形成エネルギーは負であり、チューブの直径が大きくなると、ほぼ単調に-0.5930から-1.6965 eVに減少します（表1を参照）。結果として、これらのハイブリッドは高い熱力学的安定性と、CNTと単分子層BPの間のかなり強い相互作用を持っていると簡単に結論付けることができます。ただし、（10,0）CNTとBPの間の界面結合は、それらの形成エネルギーに基づいて、（3,0）CNT / BPの場合よりも強いことを区別するのは困難です。実際、形成エネルギーが低いCNT（9,0）/ BPおよびCNT（10,0）/ BPハイブリッドは、CNTとBPの接触面積が大きいため、より容易に形成されます。

バンド構造と状態密度

単層BPの電子特性に対するCNTの影響を調べるために、バルクBP、単層BP、純粋なCNT、およびCNT / BPハイブリッドのバンド構造と状態密度（DOS）を計算します（図2および3）。表1）。図2eとfは、計算されたバルクBPと単分子層BPの価電子帯（VB）の最大値と伝導帯（CB）の最小値が、ブリュアンゾーンのGポイントにあることを示しています。これは、明確な直接バンドギャップの確認です。 （ E _g ）0.3および0.94 eVの半導体。以前の研究結果[41]およびそれらのDOSと一致しています（図3d、d *）。さらに、BPおよびハイブリッドの場合、VBの上部がCBの下部よりも分散性が高いこともわかります。これは、光生成された正孔の有効質量が小さいことを示しています。 BPおよびCNT / BPハイブリッドの電子特性は、反応プロセス中の電子正孔対の分離を促進し、良好な光触媒活性をもたらす可能性があります。

ハイブリッドのバンド構造 a CNT（5,0）/ BP、 b CNT（6,0）/ BP、 c CNT（9,0）/ BP、 d CNT（10,0）/ BP、 e 単層BP、 f それぞれバルクBP。水平の破線はフェルミ準位です

ハイブリッド用のDOS（ a ）CNT（5,0）/ BP、（ b ）CNT（6,0）/ BP、（ c ）CNT（9,0）/ BP、（ d ）単層BP、（ a *）半導体（5,0）CNT、（ b *）金属（6,0）CNT、（ c *）金属（9,0）CNT、および（ d *）それぞれバルクBP。フェルミ準位はゼロに設定されています。

図3は、個々のCNT、BP、およびそれらのハイブリッドの状態密度（DOS）を示しています。図3のパートc *に見られるように、（9、0）CNTは金属であり、これは以前の研究[40]とよく一致しています。図3を注意深く観察した後、結合されたDOSの各コンポーネントは、CNT / BPハイブリッドの個人のコンポーネントと比較してほとんど変化せず、基本的に、孤立した個人としてのそれぞれのDOSの性質を維持していると結論付けるのは簡単です。 CNT-BP界面での実際に弱いvdW相互作用の存在は、ハイブリッドにおけるCNTと単層BP間の大きな平衡距離に対応します（2.80〜2.93Å）。

半導体（5、0）、（7、0）、（8、0）、および（10、0）CNT-BPハイブリッドの計算されたバンドギャップは、リストされているように、それぞれ0.190、0.315、0.375、および0.863eVです。特に、金属（3,0）、（6,0）、および（9,0）CNTがBPに結合しているため、すべての金属CNTは、応力効果により、 CNT / MoS2ハイブリッドの以前の研究[40]。さらに興味深いことに、CNT / BPハイブリッドのバンドギャップの変化は、チューブの直径とともに単調に増加します。これは、BPの電子特性に対するCNTの影響がチューブの直径に関連していることを示しています。したがって、CNT / BPハイブリッドがCNTチューブの直径によってバンドギャップを調整することは効果的なアプローチです。 CNT / BPハイブリッドでは、計算されたすべてのバンドギャップは小さいです（表1にリストされているように<0.9 eV）。このようなバンドギャップにより、CNT / BPハイブリッドは太陽光の大部分を吸収し、より多くの光生成電子がヘテロ構造の価電子帯（VB）から伝導帯（CB）に励起され、単層BPと比較してCNT / BPの光触媒性能が向上します。

約50％の太陽放射エネルギーに寄与する可視光を取り込むための小さなバンドギャップは、光触媒効果において重要な役割を果たしますが、それは独特の役割ではないようです。実際、光生成電荷キャリアの効果的な分離も、光触媒性能を向上させるための重要な要素です[3]。図3に明確に示されているように、CNT / BPハイブリッドの結合DOSの各コンポーネントは、フェルミ準位の近くで相互にずらされています。したがって、ＣＮＴ ／ ＢＰハイブリッドにおけるそのような小さなバンドギャップは、ＣＮＴのＣ ２ｐ状態が単層ＢＰのギャップに現れるという単純なメカニズムで理解することができる。また、CNT / BPハイブリッドのギャップに近い電子構造はチューブの直径によって変化することがわかります。小さなCNT（（5、0）や（6、0）チューブなど）は単層BPと組み合わされるため、それらのエネルギーレベルは単層BPのバンドギャップに埋め込まれます（図3a、b）。図4に示すように、最高占有レベルと最低非占有レベル（HOLおよびLUL）の電子密度分布から明確にわかります。最高占有レベル（HOL）は、CNT（6）のC2p状態と小さなP状態で構成されます。 、0）/ BP、CNT（5、0）/ BPのC2p状態によってのみ形成され、それらの最低非占有レベル（LUL）はすべて、小さなP状態を混合するC2p軌道で構成されます。その結果、CNT（5、0）/ BPおよびCNT（6、0）/ BPはI型ヘテロ接合を示しました[42]。光触媒としての実用的な目的のために、そのようなバンドアラインメントは、光生成された電子正孔対の分離には有益ではありませんが、CNT上で容易に再結合します。その結果、CNTは再結合中心の一部を果たし、CNT / BPハイブリッドの光触媒活性を低下させる可能性があります。逆に、大径（9、0）のCNTは単分子層BPに結合しているため、それらのエネルギーレベルはずれており（図3c）、タイプIIヘテロ接合を形成します。これは、図4の右端の2つの列からも確認できます。LULはC状態、HOLはP状態です。

LULの電子と正孔の密度分布のマップ（ a – c ）およびHOL（ a * – c *）ハイブリッド用（ a ）CNT（5,0）/ BP、（ b ）CNT（6,0）/ BP、（ c ）CNT（9,0）/ BP。青と黄色は、それぞれLULとHOLの電子と正孔の密度分布を表しています。等値は0.007e /Å ³ 。ここで、HOLとLULは、それぞれ最高の占有レベルと最低の非占有レベルによって決定されます

。

光触媒では、このようなタイプIIのバンド配列は、光生成された電子正孔対の効率的な分離に顕著な影響を与えると考えられています。光照射下では、電子は単分子層BPからCNTに直接励起され、その結果、2つの構成要素間の効率的な電荷分離がもたらされます。さらに、タイプIIヘテロ構造を形成することは、光応答領域を拡張するための効果的なアプローチです。結果として、大きな直径の（9、0）CNTは、単層BPの増感剤です。これらの結果は、単層BP上に大径のCNTを結合することは、高い光活性を達成するための適切に選択された道であるべきであることを明らかにしました。

電荷密度の違いとメカニズムの分析

上記のDOSのすべての変更は、関与する構成要素間の界面相互作用に起因し、界面相互作用は、ヘテロ接合における電荷移動と高度に相関しています。実際、それは、界面での電荷移動の程度に基づく単純なメカニズムで理解することができます：より強い結合とより多くの電荷移動。 3D電荷密度の違いに基づいて、これらのハイブリッドの界面での電荷移動と再分配は、次の関係によって評価できます（図5を参照）。

（ a1 の3D電荷密度の違い ）CNT（5,0）/ BP、（ b1 ）CNT（6,0）/ BP、（ a2 ）CNT（9,0）/ BP、および（ b2 ）CNT（10,0）/ BP。黄色と青は、それぞれ電荷の蓄積と枯渇を表しています。等値は0.0015e /Å ³ （ c1 ）。 （ c2 ）（ a1 の平面平均自己無撞着静電ポテンシャルのプロファイル ）CNT（5,0）/ BP、（ b1 ）CNT（6,0）/ BP、（ a2 ）CNT（9,0）/ BP、および（ b2 ）z方向の位置の関数としてのCNT（10,0）/ BP。 （ d1 ）、（ d2 ）（ a1 の平面平均電荷密度差のプロファイル ）CNT（5,0）/ BP、（ b1 ）CNT（6,0）/ BP、（ a2 ）CNT（9,0）/ BP、および（ b2 ）z方向の位置の関数としてのCNT（10,0）/ BP。水平の破線は、CNT表面の最下層と単層BPの最上部のp原子の両方の位置です

ここでρ _{CNT / BP} 、ρ _BP 、およびρ _CNT それぞれ、同じ構成のハイブリッド、単分子層BP、およびCNTの電荷密度を示します。図5では、青と黄色はそれぞれ電荷の蓄積と枯渇を表しています。明らかに、電荷の再分布は、CNTのすべてのC原子、BPの最上位のp原子を含むCNT / BPハイブリッドの相互作用のために表示されます（図5a1–b2）。さらに、強い電荷枯渇（図5の青い部分）は、主にBPの上位p原子から見られます。これは、CNTが電子に対してより魅力的であることを示しており、単層BP光触媒の安定性を高めるのに役立ちます。

電荷移動と再分配の定量的結果を図1と図2にプロットします。単分子層BPに垂直な方向に沿った平面平均電荷密度差による5d1およびd2。水平の破線は、CNTの最下層と単分子層BPの最上部のp原子の両方の位置です。正（負）の値は、電子の蓄積（空乏）を示します。単分子層BPのp原子の上に局在する最大の効率的な電子枯渇は、約-1.29×10 ^-2 です。 e /Å ³ CNT / BPハイブリッドでは、最下層のC原子に局在する最大の効率的な電子蓄積は約1.41×10 ^-2 です。 、1.63×10 ⁻² 、1.84×10 ⁻² 、および1.96×10 ⁻² e /Å ³ CNT（5,0）/ BP、CNT（6,0）/ BP、CNT（9,0）/ BP、およびCNT（10,0）/ BPハイブリッド。これは、CNTと単分子層BPの間の界面相互作用が、CNTの直径が大きくなるにつれて強くなることを示しています。これは、CNTの直径が大きくなるにつれてCNTとBPの間の接触面積が大きくなることが原因である可能性があります。

界面での定量的な電荷変動は、CNT、単分子層BP、およびCNT / BPハイブリッドでの平面波擬ポテンシャル計算のマリケン電荷分析によっても把握できます。図6は、CNT / BPハイブリッドのCおよびP原子のマリケン電荷の結果を示しています。ここには、いくつかの典型的な値が示されています。単分子層BPの最上部のp原子は、0.01のマリケン電荷を持っています。電荷の変化は、CNT / BPハイブリッドの最上部のP原子が、孤立した単分子層BPの電子よりも多くの電子を失うことを示しています（純粋な単分子層BPではゼロに近づくマリケン電荷）。

（ a の電荷分布マップ ）CNT（5,0）/ BPおよび（ b ）等値が0.005e /Å ³ のCNT（6,0）/ BP 。灰色とピンクの球はC原子とP原子を表します

CNTのC原子はゼロに近づくマリケン電荷を持っていますが、界面相互作用が変化するため、CNT / BPハイブリッドのC原子は異なるマリケン電荷を持っています。図6は、単分子層BPの近くの最下層のC原子が、CNT（5,0）/ BPおよびCNT（6,0）/ BPハイブリッドで-0.01および-0.02のマリケン電荷を持っていることを示しています。 CNT / BPハイブリッドの接触面積の増加に対応するナノチューブの直径の増加。

表1に示すように、これらの複合材料のある構成要素から別の構成要素への実効正味電荷は、Bader法によって調べることができます。計算されたBader電荷は、一部の電荷がBPからCNTに移動し、BPの正孔ドーピングにつながることを示しています。これは、平面平均電荷密度の差と一致しています。興味深いことに、これらのハイブリッドで転送される電荷​​の量は、チューブの直径に依存します。チューブの直径が大きくなると（2.35–7.8Å）、CNTハイブリッド（表1）でBPからCNTに移動する電子も増加し（0.004–0.142）、前者の界面接触面積が増加するという事実と一致します。 CNT / BPハイブリッドで。

界面電荷移動は、ハイブリッドの界面での静電ポテンシャル分布の変動をもたらします。図5c1およびc2は、CNT / BPハイブリッドの平面平均自己無撞着静電ポテンシャルのプロファイルのz方向依存性における特定の位置を示しています。界面では、CNTと単層BPの間に約0.39 eVの電位差が見られますが、CNT（9,0）/ BPとCNT（10,0）/ BPの場合、平均静電電位差はCNT（ 5,0）/ BPおよびCNT（6,0）/ BP。ここで、界面の電位にわずかな変化があります。光照射下では、CNT-BP界面に組み込まれた電位により、ハイブリッド内の光生成キャリアの分離と移動が改善され、CNT / BP光触媒の光触媒活性と安定性が大幅に向上します。

光学特性

単層BPおよびCNT / BPハイブリッドの光学特性を評価するために、それらの虚数部ɛ ₂ 誘電関数のは、次の方程式による双極子近似内のフェルミの黄金律に基づいて、占有波動関数と非占有波動関数の間の運動量行列要素から計算されます。

ここでɛ ₂ 、ħɷ 、p、（| kn 〉）、および f （ kn ）は、誘電関数の虚数部、入射光子のエネルギー、運動量演算子 r です。 （ħ / i ）（∂ / ∂x ）、結晶波動関数、およびフェルミ関数。実数部ε ₁ 誘電関数の（ω）は、クラマース・クローニッヒの関係に従って虚数部から求めることができます。光吸収係数I（ω）は、次の式を使用して評価できます。

上記の関係は、異なるエネルギー準位間の電子遷移によって引き起こされる吸収スペクトルのメカニズムを説明するためのバンド構造と光学特性の理論的基礎です。図7は、単層BPおよびCNT / BPハイブリッドの計算されたUV-vis吸収スペクトルを示しています。単分子層BPの吸収端は、3s軌道から3p軌道への固有の遷移に対応する0.93eVの隣にあります。 CNT / BPハイブリッドの光吸収端は、C2pからP3P状態への電子遷移の結果として、バンドギャップが減少するため（図7を参照）、純粋な単分子層BPよりも長い波長にシフトします。またはC2pからC2pの状態。

CNT / BPハイブリッドと純粋な単分子層BPの計算された吸収スペクトル

強い吸収強度は、優れた光触媒にとって最も重要な要素の1つです。図7に示す単層BPと比較して、CNT / BPハイブリッドの光吸収は可視光領域で大幅に改善できます。可視光領域での純粋なBPの弱い光吸収は、式（1）のs-p行列要素の値が小さいことに起因すると考えることが理解できます。 3CB下部の3p状態が非常に低いため。 CNT / BP混成軌道の場合、C2pおよびP3p混成軌道は、CBおよびVB上部の下部の主要な成分です（図3）。これらのCNT / BPハイブリッドのバンドギャップ付近の大きな状態は、 s の大きな値に対応します。 − p および p − p 式の行列要素。 3.したがって、これらのCNT / BPハイブリッドの光吸収は、可視光領域で強化されます（図7）。

CNT / BPハイブリッドの場合、光触媒活性と安定性が向上した理由は次のとおりです。第一に、BPのバンドギャップに埋め込まれたCNTのC 2p状態（図3）は、バンド間遷移に関与するより多くの束縛電子を生じさせ、吸収範囲を拡大するだけでなく、それらの個体と比較して吸収強度を増加させます。第二に、実験結果は、BP / CNTの等価抵抗が低く、BPの13分の1であることを示しています[43]。観察されたBP-CNTの優れた電極触媒活性と安定性はBPのそれよりもはるかに高く、これはBPのそれと比較してBP / CNTの電荷移動抵抗がはるかに低いことに起因しています[27]。 CNT / BPハイブリッドでは、表面積が大きく導電率の高いCNTネットワークが高速導電性ブリッジの重要な役割を果たし、BP触媒の導電率を大幅に向上させることができます。したがって、光生成された電荷は、可視光照射下でCNTバンドルの導電性ネットワークに沿って自由にシャトルされ、光励起された電荷キャリアは効果的に分離および移動され、キャリア再結合率が低く、光触媒活性が高くなります。 CNT（9,0）/ BPハイブリッドの場合、さらに重要なことに、タイプIIヘテロ接合バンドアラインメントを形成すると（図4）、光励起された電子と正孔がヘテロ接合の異なる側に移動し、その後、電子の効率的な空間分離が行われます。再結合前の正孔対[42]。さらに、いくつかの中性C原子は、CNTの電荷移動により帯電します。これは、最初は触媒的に不活性であるために活性部位になり、CNTをこれらのハイブリッドの高活性助触媒にします。さらに、光触媒プロセス中に電子が失われるため、活性部位の数が大幅に増加しました。上記の要因の相乗効果により、CNT / BPハイブリッドの可視光触​​媒性能が向上する可能性があります。上記の分析に基づいて、BP半導体にCNTを結合すると、BPの光触媒活性が向上します。

結論

要約すると、DFTの枠組みの下で電子的および光学的特性を分析することにより、光触媒におけるCNT / BP複合材料の潜在的な用途を調査しました。私たちの結果は、CNT / BPハイブリッドのバンドギャップが小さく（<0.8 eV）、可視光領域だけでなく近赤外スペクトル領域でも強い吸収をもたらすことを示しています。さらに重要なことに、タイプIIヘテロ接合は、CNT（9,0）/ BPハイブリッドの光励起電荷キャリアを効果的に分離でき、光励起電子と正孔の分離を容易にします。したがって、CNT / BPハイブリッドは光触媒として優れた候補であり、高効率のフォスフォレンベースまたはCNTベースのナノ光触媒の開発に貢献できると結論付けるのが妥当です。

データと資料の可用性

現在の研究中に生成および/または分析されたデータセットは、リクエストに応じて対応する著者から入手できます。

略語

CNT：

カーボンナノチューブ

BP：

フォスフォレン

DFT：

密度汎関数理論

vdW：

ファンデルワールス

OER：

酸素発生反応

PBE：

Perdew-Burke-Ernzerh

GGA：

一般化された勾配近似

DOS：

状態密度

VB：

価電子帯

CB：

伝導帯

HOL：

最高占有レベル

LUL：

最も低い空いているレベル。