摘要：本文详细介绍了能带结构图的定义、基本构成要素（价带、导带、禁带）及其在催化剂研究中的关键作用，包括揭示电子结构、评估催化性能、理解反应物与催化剂相互作用、优化催化剂设计以及探测表面态和界面效应等。通过引用MoS₂氢气演化反应和CaBi₂Nb₂O₉压电光催化性能
本文详细介绍了能带结构图的定义、基本构成要素（价带、导带、禁带）及其在催化剂研究中的关键作用，包括揭示电子结构、评估催化性能、理解反应物与催化剂相互作用、优化催化剂设计以及探测表面态和界面效应等。通过引用MoS₂氢气演化反应和CaBi₂Nb₂O₉压电光催化性能增强的两个典型案例，展示了能带结构工程如何通过调控能带位置、引入中间带、优化电子态密度等方式显著提升催化效率，强调了能带理论在指导新型催化剂研发中的重要价值。
什么是能带结构图
能带结构图是描述材料中电子能量与波矢（或晶体动量）之间关系的图形。它反映了材料在不同波矢下电子的能量状态。对于固态材料来说，能带结构图显示了价带（valence band）、导带（conduction band）和带隙（band gap）等电子特性，是研究材料电子结构的重要工具。在图示中，横轴通常表示波矢（k），即电子在晶体中的动量，纵轴表示电子的能量（E）。能带结构图显示了不同波矢下的电子能量级，这些能量级被排列成多个能带。通过这些图形，可以直观地观察材料的电子能量分布情况。价带：包含有价电子的能带，在常温下充满电子；导带：能让电子自由流动的能带；禁带：价带与导带之间没有电子存在的区域，其大小即为带隙（band gap）。
能带结构图有什么用
能带结构图在催化剂研究中具有重要作用，以下是几个主要用途：1. 揭示材料的电子结构： 能带结构图可以帮助研究人员了解材料的电子分布，特别是能带的宽度、导带和价带的位置以及带隙的大小。对于催化剂而言，电子结构决定了其能否有效地进行电子转移，从而影响催化反应的效率。2. 评估催化性能： 通过能带结构的分析，可以预测催化剂在反应过程中电子的可用性和活性。能带结构图可以揭示催化剂的导电性或半导体特性，这对于某些反应（如电催化）至关重要。例如，金属催化剂通常具有较小的带隙，允许电子自由流动，而半导体催化剂的带隙则会影响其反应性。3. 理解反应物与催化剂的相互作用： 在催化过程中，反应物往往与催化剂表面的电子相互作用，能带结构图可以帮助我们理解这些相互作用。例如，能带结构图能揭示催化剂表面电子态密度的分布，进而推测反应物的吸附方式、电子转移机制等。4. 优化催化剂设计： 在催化剂的开发过程中，通过分析能带结构，研究人员可以预测催化剂在不同反应条件下的表现，优化其电子性质。不同的电子结构能够影响催化反应的选择性、效率和稳定性。5. 探测表面态与界面效应： 催化剂的性能不仅取决于其整体电子结构，还与表面电子态密切相关。能带结构图能够帮助研究者分析催化剂表面或界面的电子行为，从而优化其活性位点。
能带结构相关案例
1.《Boosting Hydrogen Evolution Performance of MoS2 by Band Structure Engineering》MoS2的能带结构对氢气演化反应（HER）的性能至关重要。通过引入硫（S）空位，MoS2的能带结构发生了变化，产生了新的能隙态，这些态有助于氢气的吸附，这是提高HER效率的关键。理论计算（使用密度泛函理论，DFT）显示，这些空位将能带推向费米能级，从而促进反应。此外，当在MoS2表面沉积铂（Pt）时，新的局域态会出现在能隙中，进一步优化能带对齐，有利于氢气的吸附和释放。通过调控能带结构，能够显著降低氢气吸附自由能（ΔGH），从而显著提升HER性能。2.《Na-Sm Bimetallic Regulation and Band Structure Engineering in CaBi2Nb2O9 to Enhance Piezo-photo-catalytic Performance》在CaBi2Nb2O9（CBN）中，通过Na和Sm共同掺杂，能带结构发生了变化，产生了一个中间带，降低了材料的带隙。这一变化增强了材料的光催化和压电催化性能，因为它促进了电荷载流子的激发和移动。DFT计算显示，Sm原子的引入在能带之间产生了一个新的中间带，从而增强了光生电子-空穴对的分离，改善了材料的整体催化性能。
来源：朱老师讲VASP