JPhysD编辑优选：基于Janus TMDs范德华异质结用于水分解制氢的高效光催化剂

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氢能源被认为是新一代清洁能源，能够缓解世界能源紧张和环境污染的问题。同时，太阳的能量非常高，但利用率普遍较低，因此利用太阳光激发催化剂分解水制氢是非常必要的。由于二维（2D）材料具有较大的比表面积，可以延长光生电荷的寿命，相比于块体半导体材料的光催化剂，二维半导体具有更优越的性能。但是光生电子和光生空穴一起聚集催化剂表面，又会相互影响并重新复合。所以，具有II型能带结构的2D半导体异质结，可以有效地分离光生电子和空穴，这样就使得氧化和还原反应分别在两层进行，从而进一步延长光生电荷的寿命。因此，研究2D半导体异质结作为分解水的光催化剂具有重要意义。

研究成果：

本文基于密度泛函理论，运用第一性原理计算方法，研究了基于MoSSe和XN（X= Ga, Al）的二维范德华异质结的结构、电子、界面和光学性质。通过声子谱和MD的计算，我们发现MoSSe/GaN和MoSSe/AlN 范德华异质结在300 K下具有动力学和热力学稳定性。此外，它们都具有II型能带结构，可以有效地分隔光生电子和空穴。通过HSE06计算出的异质结的能带边缘位置，我们发现其足以保证在pH 0时发生水分解的氧化还原反应。我们还评估了这些层状材料的载流子迁移率，并且MoSSe/GaN范德华异质结显示出非常高的载流子迁移率，特别是空穴沿zigzag方向可达到3651.83 cm2·V-1·s-1。同时，MoSSe/AlN范德华异质结还具有与其他可以用作水分解的光催化剂的2D材料相当的载流子迁移率。此外，在MoSSe/XN（X= Ga, Al）范德华异质结种，GaN和AlN分别贡献0.107和0.158 |e|给MoSSe，它们界面上的电势差降经计算分别为7.03和2.23 eV，这会产生出内置电场，从而进一步防止了光生电子-空穴对的复合。更重要的是，MoSSe/GaN和MoSSe/AlN范德华异质结显示出对太阳光具有出色的光吸收能力。基于这些结果，MoSSe/XN范德华异质结是用于水分解应用的有前途的高效光催化剂。

作者介绍

汤文成 教授

汤文成教授，东南大学机械工程学院教授，博士生导师。主要研究方向为CAD/CAE/CAM/PDM/ERP，长期从事先进制造技术领域的教学和科研工作。近5年以通讯作者发表高水平学术论文约40篇。