元素掺杂对三氧化钨能带结构的影响

三氧化钨光催化剂因为具有良好的光感性、良好的电子传输性质、以及优异的光稳定性而被广泛应用于各个领域。

然而由于三氧化钨的禁带宽度较低，故此对可见光的利用率不高。此外，因为三氧化钨的导带底较低，所以对于利用三氧化钨光催化分解水制氢来说是不可能的。而对于光催化降解来说，导带位置较低将导致光生电子的单电子还原氧的反应受到一定限制。从而使得光生电子的消耗受到阻碍，进而降低了光生空穴的利用率。有研究表明对于三氧化钨来说，光生电子将发生两个相互竞争的四电子还原氧的过程。对此，通过掺杂其它元素来调整三氧化钨的能带结构使其导带与价带能够满足所需要的电位就成为了一个可能有效的方法。同时还注意到由于掺杂将导致三氧化钨晶格发生畸变，而晶体结构的变化也将会引起材料能带结构等的变化。

元素掺杂主要分为金属掺杂、非金属掺杂以及金属-非金属掺杂，三者对于三氧化钨的能带结构有着不同的影响。对于等价的 Mo 或者 Cr 取代晶格中 W 时，三氧化钨的导带位置向下移动。S 取代 O 后 S 会在三氧化钨的价带顶部形成一个定域的占据态，导致三氧化钨的禁带宽度变窄，并使三氧化钨的导带向上移动。因而有可能提高三氧化钨的光催化活性。当用低价态的 Ti、Zr 或者 Hf 取代 W，三氧化钨的禁带宽度变宽，同时导带位置上移。然而，W被低价态离子取代将会形成补偿缺陷，如 Hf 掺杂三氧化钨的氧空位形成能为负值，所以会形成氧空位。这将导致三氧化钨的导带和价带都向着高能量的方向移动且其禁带宽度将会减小。