Nb2C及Ni功能化材料光催化性能的第一性原理研究

doi:10.3969/j.issn.1006-396X.2022.05.005

摘要/Abstract

摘要：

二维过渡金属碳化物和氮化物（MXenes），因具有高效的吸附催化性能、较宽的光吸收范围和良好的导电性等优点，已成为具有广泛应用前景的明星材料。掺杂Ni原子的Nb₂C材料具有优异的光催化性能，为了探索Ni掺杂Nb₂C提高光催化性能的内在机制，基于密度泛函理论（DFT），研究了Nb₂C及其Ni功能化形式（即Ni?Nb₂C）的电子结构性质及其对CO₂气体分子的吸附性能。结果表明，Nb单原子被Ni单原子取代，导致Ni原子周围的电荷密度增加和基底电荷密度的再分配，从而改善了光催化CO₂的电子环境，提高了对CO₂气体的光催化性能。

关键词: Nb₂C, MXenes, 电子结构, 第一性原理, 气体吸附

Abstract:

Two?dimensional transition metal carbides and nitrides (MXenes) have become a high?profile material with a wide range of application prospects due to their efficient adsorption and catalytic properties,wide optical absorption range,and excellent conductivity.Ni?doped Nb₂C material has positive photocatalytic properties.To explore the intrinsic mechanism of photocatalytic property improvement by Ni?doped Nb₂C,the electronic structure properties of Nb₂C and its Ni?functionalized form(i.e.,Ni?Nb₂C) and their adsorption properties for CO₂ gas molecule by using the density functional theory (DFT) were investigated.The results show that the replacement of an Nb atom by a Ni atom makes the charge density around the Ni atom increase and further results in a redistribution of the charge density of the substrate,which leads to an improved electronic environment for catalyzing CO₂ and improves the photocatalytic property for CO₂.

Key words: Nb₂C, MXenes, Electronic structure, First?principle, Gas adsorption

中图分类号:

TQ133.2

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图/表 7

图1 Nb2C的三维结构

Fig.1 Three?dimensional structure of Nb2C

表1 Ni?Nb2C超胞的原子间距离和结合能

Table 1 Atomic distances and the Eb values of Ni?Nb2C supercells

材料	掺杂位点	E_b/eV	r(Nb-C)/nm	r(Nb-Ni)/nm
Ni/Nb₂C	Nb^H	-5.56	0.217	0.252
Ni/Nb₂C	C^H	-5.40	0.219	0.252
2Ni/Nb₂C	Nb^H	-5.62	0.217	0.264
NiNb₂C	Nb^H	-7.46	0.215	0.271

图2 Nb2C和Ni?Nb2C的ELF等值面图

Fig.2 ELF isosurface of Nb2C and Ni?Nb2C

表2 Nb2C和Ni?Nb2C对CO2的吸附能和原子间距离

Table 2 The Ead values and atomic distances of Nb2C and Ni?Nb2C adsorption of CO2

材料	方法	吸附位点	E_ad/eV	r(Nb-O)/nm	r(C-O)/nm
Nb₂C	PBE	Nb^H	-1.70	0.238	0.134/0.127
	PBE	Nb^H	-1.72^[12]	—	0.133/0.127^[12]
	PBE⁃D3	Nb^H	-2.10	0.236	0.134/0.127
	PBE⁃D3	C^H	-2.04	0.228	0.139/0.125
Ni/Nb₂C	PBE⁃D3	Nb^H	-2.04	0.240	0.133/0.127
		C^H	-2.01	0.230	0.137/0.126
		Ni^T	-0.08	0.488	0.118/0.118
		Nb^T	-0.20	0.356	0.118/0.118
2Ni/Nb₂C	PBE⁃D3	Nb^H	-1.92	0.245	0.132/0.127
NiNb₂C	PBE⁃D3	Nb^H	-2.22	0.227	0.132/0.128

图3 Ni?Nb2C的差分电荷密度和Bader电荷分布

Fig.3 The charge density difference and Bader charge values of Ni?Nb2C

图4 Nb2C/CO2和Ni?Nb2C/CO2的差分电荷密度和Bader电荷分布（等值面为3.2 e/nm3）

Fig.4 The charge density difference and Bader charge values of Nb2C/CO2 and Ni?Nb2C/CO2 (the isosurface values are 3.2 e/nm3)

图5 Nb2C、Ni?Nb2C、Nb2C/CO2、Ni?Nb2C/CO2体系的PDOS图

Fig.5 The PDOS of pure Nb2C,Ni?Nb2C,Nb2C/CO2,Ni?Nb2C/CO2 systems

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First⁃Principle Studies on the Photocatalytic Properties of Nb₂C and Ni⁃Functionalized Materials

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