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摘要

A ₂ BB'O ₆型双钙钛矿氧化物材料, 相比于 ABO ₃型单钙钛矿氧化物材料, 具有更好的稳定性和更宽泛的能带选择范围, 在光催化全解水领域具有良好的应用前景. 然而, 由于晶体结构和组成元素的多样性, 实验和理论上快速、准确搜寻高催化活性的 A ₂ BB'O ₆型双钙钛矿氧化物材料具有相当大的挑战性. 本文由材料数据库的带隙值数据出发, 采用机器学习与第一性原理相结合的方法, 从50000多种 A ₂ BB'O ₆型双钙钛矿氧化物材料中筛选出近8000种可能适用于光催化全解水的材料. 对筛选结果的统计分析表明, B/ B'位均为d ¹⁰金属离子的双钙钛矿氧化物, 更有可能成为全解水光催化剂. 随后通过进一步的第一性原理计算挑选出Sr ₂GaSbO ₆, Sr ₂InSbO ₆和K ₂NbTaO ₆这3种带边位置合适且不含铅、汞离子的 A ₂ BB'O ₆型双钙钛矿氧化物材料作为候选的全解水光催化剂.

关键词:

Abstract

Double perovskite oxide A ₂ BB'O ₆has better stability and wider bandgap range than ABO ₃-type oxide, and exhibits great prospects in photocatalytic overall water splitting. However, owing to the diversity of crystal structure and constituents of perovskite oxide, rapidly and accurately searching for A ₂ BB'O ₆for photocatalyst is still a big challenge, both experimentally and theoretically. In this work, in order to screen out suitable double perovskite oxide photocatalysts, a multi-step framework combined with machine learning technique and first-principles calculations is proposed. Nearly 8000 candidates with proper bandgaps for water splitting are screened out from among more than 50000 A ₂ BB'O ₆-type double perovskite oxides. Statistical analysis of the results shows that double perovskite oxides with d ¹⁰metal ions at B/B 'sites are more likely to have good absorption of visible light, and the structural symmetry of double perovskite also has influence on the bandgap value. Furthermore, first-principles calculations demonstrate that Sr ₂GaSbO ₆, Sr ₂InSbO ₆and K ₂NbTaO ₆are non-toxic photocatalyst candidates with proper band edges for overall water splitting.

Keywords:

作者及机构信息

通信作者:周跫桦,qh.zhou@seu.edu.cn; 王金兰,jlwang@seu.edu.cn

基金项目:国家重点研发计划(批准号: 2017YFA0204800, 2021YFA1500700)、国家自然科学基金(批准号: 22033002, 22003009)和江苏省研究生科研与实践创新计划(批准号: KYCX20_0075)资助的课题.

Authors and contacts

Corresponding author:Zhou Qiong-Hua,qh.zhou@seu.edu.cn; Wang Jin-Lan,jlwang@seu.edu.cn

Funds:Project supported by the National Key Research and Development Program of China (Grant Nos. 2017YFA0204800, 2021YFA1500700), the Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 22033002, 22003009), and the Postgraduate Research & Practice Innovation Program of Jiangsu Province (Grant No. KYCX20_0075).

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元素	U值
V	3.25
Mo	4.38
W	6.2
Ni	6.2
Mn	3.9
Fe	5.3
Cr	3.7
Co	3.32

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符号	含义
N_a	原子数
R_a	原子半径
V_a	原子体积
R_cov	共价半径
E_a	电子亲合能
N_e	电子数
χ	鲍林电负性
H_f	形成热
N_m	门捷列夫数
N_p	周期
R_ion	离子半径
t	容忍因子

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Formula	E_g-PBE/eV	E_g-HSE/eV	Bandgap
Sr₂GaSbO₆	1.37	2.80	indirect
Sr₂InSbO₆	1.63	3.07	indirect
K₂NbTaO₆	1.77	3.06	direct

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