钒/铌/钽掺杂调控SrTiO3电子结构与光催化产氢性能的第一性原理研究

本文通过第一性原理计算（DFT）结合Hubbard U校正，系统研究了V/Nb/Ta单掺杂及La共掺杂对SrTiO3缺陷形成能、电子结构（带隙调控）、光学性质（可见光红移）及催化活性（HER/OER）的影响，发现V掺杂在富氧条件下显著提升材料稳定性与光解水性能，为钙钛矿（perovskite）基光催化剂设计提供理论指导。

　　

Highlight

钒（V）单掺杂SrTi_1-xV_xO₃体系展现出显著优势：不仅带隙（band gap）缩小、可见光吸收红移（red shift），还能有效抑制电子-空穴复合。更高掺杂浓度下，其析氢反应（HER）和析氧反应（OER）活性同步增强。相比之下，铌（Nb）、钽（Ta）单掺杂及La共掺杂体系对催化活性提升有限甚至产生抑制作用。

Computational details

采用维也纳第一性原理模拟包（VASP）进行密度泛函理论（DFT）计算，交换关联泛函选用PBE-GGA，截断能设为400 eV，k点网格为8×8×8。为修正过渡金属d电子强关联效应，引入Hubbard U校正（U_eff = 3.5 eV for Ti-3d）。

Structural model

立方相SrTiO₃（空间群Pm-3m）优化后晶格常数为3.946 ?。掺杂模型通过替换Ti位点构建，浓度梯度设为6.25%、12.5%和25%。富氧条件下所有掺杂体系更稳定，其中V掺杂形成能最低。

Conclusions

本研究揭示V是SrTiO₃光催化剂的最佳掺杂元素——其引入的中间能级（impurity level）有效拓宽光响应范围，同时促进电荷分离。该发现为设计高效钙钛矿光解水材料提供了明确的元素选择策略。