Effects of native defects and cerium impurity on the monoclinic BiVO4 photocatalyst obtained via PBE+U calculations

文献情報

出版日 2020-10-12
DOI 10.1039/D0CP01983F
インパクトファクター 3.676
著者

Jihua Zhang, Xia Chen, MingSen Deng, Hujun Shen, Hang Li, Jianwen Ding


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要旨

In this article, we report a periodic density functional theory (DFT) investigation on the formation of the native defects and cerium doping in monoclinic BiVO4 (m-BiVO4) and their effect on the electronic structures, using the Perdew–Burke–Ernzerhof functionals corrected for on-site Coulombic interactions (PBE+U). From the point defect formation energies and transition levels, the Bivac (Bi vacancy), Vvac (V vacancy), Oint (O interstitial) and CeV (Ce doping on V site) defects in m-BiVO4 are identified as shallow acceptors. For Ce doping in m-BiVO4, the substitution of Bi by Ce is energetically favorable in the single positively charged state (Ce1+Bi) under Bi/V-poor conditions, while the substitution of V by Ce is in the single negatively charged state (Ce1−V) under O-rich conditions. The calculated electronic structures suggest that Ce1+Bi degrades the activity by an unoccupied deep level in the gap region, mainly composed of Ce 4f orbitals, which makes this defect as the photogenerated electron–hole recombination center, in good agreement with the experimental results. For Ce1−V, no localized state exists within the calculated band gap. Its formation energy is sensitive to the chemical potentials and Fermi energy, suggesting that the Bi/V-poor and O-rich conditions are desirable to eliminate the deep-level states and improve photocatalysis. Our results provide insights into enhancing the photocatalytic activity of m-BiVO4 for energy and environmental applications through the rational design of defect-controlled synthesis conditions.

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掲載誌

Physical Chemistry Chemical Physics

Physical Chemistry Chemical Physics
CiteScore: 5.5
自己引用率: 10.3%
年間論文数: 3036

Physical Chemistry Chemical Physics (PCCP) is an international journal co-owned by 19 physical chemistry and physics societies from around the world. This journal publishes original, cutting-edge research in physical chemistry, chemical physics and biophysical chemistry. To be suitable for publication in PCCP, articles must include significant innovation and/or insight into physical chemistry; this is the most important criterion that reviewers and Editors will judge against when evaluating submissions. The journal has a broad scope and welcomes contributions spanning experiment, theory, computation and data science. Topical coverage includes spectroscopy, dynamics, kinetics, statistical mechanics, thermodynamics, electrochemistry, catalysis, surface science, quantum mechanics, quantum computing and machine learning. Interdisciplinary research areas such as polymers and soft matter, materials, nanoscience, energy, surfaces/interfaces, and biophysical chemistry are welcomed if they demonstrate significant innovation and/or insight into physical chemistry. Joined experimental/theoretical studies are particularly appreciated when complementary and based on up-to-date approaches.

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