Band Gap Narrowing by Suppressed Lone-Pair Activity of Bi 3+

化学 单独一对 带隙 离子半径 离子键合 过渡金属 半径 化学物理 结晶学 立体化学 凝聚态物理 离子 分子 催化作用 物理 有机化学 生物化学 计算机安全 计算机科学
作者
Kanta Ogawa,Ryu Abe,Aron Walsh
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:146 (9): 5806-5810 被引量:84
标识
DOI:10.1021/jacs.4c00150
摘要

High Resolution Image Download MS PowerPoint Slide Post-transition metal cations with a lone pair ( n s 2 n p 0 ) electronic configuration such as Pb 2+ and Bi 3+ are important components of materials for solar-to-energy conversion. As in molecules like NH 3, the lone pair is often stereochemically active in crystals, associated with distorted coordination environments of these cations. In the present study, we demonstrate that suppressed lone pair stereochemical activity can be used as a tool to enhance visible light absorption. Based on an orbital interaction model, we predict that a centrosymmetric environment of the cations limits the orbital interactions with anions, deactivates the lone pair, and narrows the band gap. A high-symmetry Bi 3+ site is realized by isovalent substitutions with Y 3+ by considering its similar ionic radius and absence of a lone pair. The quaternary photocatalyst Bi 2 YO 4 X is singled out as a candidate for Bi substitution from a survey of the coordination environments in Y–O compounds. The introduction of Bi 3+ to the undistorted Y 3+ site in Bi 2 YO 4 X results in a narrowed band gap, as predicted theoretically and confirmed experimentally. The orbital interaction controlled by site symmetry engineering offers a pathway for the further development of post-transition metal compounds for optoelectronic applications.
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