28526

بررسي ساختار الكتروني و فتوكاتاليستي ساختارهاي نيمه رساناي دوبعدي MXene

كارشناسي ارشد

فيزيك- حالت جامد و ماده چگال

1399

1402/1/26

ادريس فيض آبادي

فيزيك

مواد دوبعدي به دليل خواص الكترونيكي و ساختاري منحصربه‌فردشان، سال‌هاست كه موردتوجه قرارگرفته‌اند. يك نمونه نوظهور و پركاربرد از اين مواد، MXene تا هستند كه از سنتز فازهاي مكس (MAX phases) طي عمليات لايه‌برداري (exfoliation process) به دست مي‌آيند. اين ساختارها در شرايط خالص خاصيت فلزي دارند اما با اضافه شدن لايه پاياني، برخي از آن‌ها مي‌توانند خاصيت نيمه رسانايي از خود نشان دهند. با توجه به كاربردهاي وسيع نيمه‌رساناها، انتظار مي‌رود كه اين ساختارها در حالت نيمه رسانايي خواص قابل‌توجهي در زمينه‌هاي فتوكاتاليست، الكترونيك و اپتوالكترونيك به‌طور بالقوه داشته باشند. در اين تحقيق بر مبناي نظريه تابعي چگالي (DFT) و با استفاده از پكيج كوانتوم اسپرسو (Quantum ESPRESSO package) خواص الكترونيكي، اپتيكي و فتوكاتاليستي (در محدوده pH هاي صفرتا 10) مكسين هاي دوبعدي Sc2CF2, Sc2CO2, Y2CF2, Zr2CO2, Hf2CO2 2D با سطوح پاياني -F و -O موردبررسي قرارگرفته است. نتايج نشان مي‌دهد كه تك لايه‌هاي دوبعدي مذكور به ترتيب از چپ به راست داراي بند گپي در حدود 1.1, 1.55, 1.1, 0.9 و 1.2 مي‌باشند. علاوه بر اين براي مطالعه خواص نوري اين ساختارها، بخش‌هاي حقيقي و موهومي تابع دي‌الكتريك، مقادير ضريب شكست، درصد بازتابندگي و طيف جذب نيز موردمحاسبه قرارگرفته است. بر طبق نتايج به‌دست‌آمده مي‌توان پيش‌بيني كرد كه MXene هاي دوبعدي Sc2CF2, Y2CF2, Zr2CO2, Hf2CO2 به دليل جذب بالا در ناحيه مريي مي‌توانند كانديداي مناسبي براي تبديل انرژي خورشيدي به گرما باشند. همچنين نتايج محاسبات فتوكاتاليستي نيز نشان مي‌دهد كه در pH0 و در محدوده pH6 تا pH10 طرح Z ناهمگون Sc2CF2(Sc2CO2, Y2CF2, Zr2CO2 and Hf2CO2)/g-C3N4 مي‌توانند به‌عنوان فتوكاتاليست هاي مناسب براي واكنش‌هاي تجزيه آب و تبديل CO2 در نظر گرفته شوند.

1402/04/27

Investigating The Electronic Structure and Properties Photocatalytic The 2d Semiconductor Structures of MXene

4/14/2024 12:00:00 AM

Two-dimensional materials, due to their unique structural and electronic proper-ties, have attracted considerable attention for years. An emerging and widely used example of these materials are MXenes, which are obtained from the syn-thesis of MAX phases by the exfoliation process. These structures have metallic properties in their pure condition, but with the addition of the final layer, some of them show semi-conducting properties. Considering the wide applications of semiconductors, it is expected that these structures in the semiconductor state will have significant properties in the fields of photocatalysts, electronics, and optoelectronics. In this research, based on density functional theory (DFT) and using the Quantum ESPRESSO package, optical properties and also the energy band structure of 2D Sc2CF2, Y2CF2, Sc2CO2, Zr2CO2, and Hf2CO2 MXenes with different end layers have been investigated. Also, the photocatalytic prop-erties (in the range of pH 0 to pH 10) are calculated. The results show that sem-iconductors Sc2CF2, Sc2CO2, Y2CF2, Zr2CO2, and Hf2CO2 have band gaps of about 1.1, 1.55, 1.1, 0.9, and 1.2 eV, respectively. To study the optical proper-ties of the mentioned structures, the real and imaginary parts of the dielectric function have been calculated. Moreover, the values of refractive index, reflec-tion percentage, and absorption spectrum have been calculated using the real and imaginary parts of the dielectric function. According to the obtained results, it can be predicted that 2D Hf2CO2, Zr2CO2, Y2CF2, and Sc2CF2 monolayers are suitable candidates for converting solar energy into heat due to the high ab-sorption of light in visible areas. In addition, the results of photocatalytic calcu-lations show that at pH 0, all 2D monolayers can be suitable photocatalyst can-didates for the half-reaction of water splitting (O2/H2O). Likewise, the results obtained with regard to the band alignment of these materials show that in pH (0, 6, 7, 8, 9, and 10) the Z-scheme Sc2CF2 (Sc2CO2, Y2CF2, Zr2CO2 and Hf2CO2)/g-C3N4 heterojunction can be a suitable photocatalyst candidate for water splitting reactions and CO2 conversion under sunlight.

مكسين , نظريه تابعي چگالي , خواص نوري و الكترونيكي , فتوكاتاليست

MXene , DFT , Optical and electronic properties , photocatalyst

Mohammad Mehdi Hassanvand

Dr. Edris Feizabadi