直接Z型In2SSe/Sb范德华异质结光催化水分解的第一性原理研究

doi:10.7503/cjcu20230145

高等学校化学学报 ›› 2023, Vol. 44 ›› Issue (8): 20230145.doi: 10.7503/cjcu20230145

直接Z型In₂SSe/Sb范德华异质结光催化水分解的第一性原理研究

曹圣哲¹, 黄欣²(), 杨志红²

^1.南京邮电大学电子与光学工程学院，柔性电子（未来技术）学院
^2.理学院，南京 210023

收稿日期:2023-03-29 出版日期:2023-08-10 发布日期:2023-05-16
通讯作者: 黄欣 E-mail:xhuang@njupt.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金(11804165)

First-principles Study of Direct Z-scheme In₂SSe/Sb Heterostructure as Photocatalyst for Water Splitting

CAO Shengzhe¹, HUANG Xin²(), YANG Zhihong²

^1.College of Electronic and Optical Engineering，College of Flexible Electronics（Future Technology）
^2.College of Science，Nanjing University of Posts and Telecommunications，Nanjing 210023，China

Received:2023-03-29 Online:2023-08-10 Published:2023-05-16
Contact: HUANG Xin E-mail:xhuang@njupt.edu.cn
Supported by:
the National Natural Science Foundation of China(11804165)

摘要/Abstract

摘要：

采用第一性原理方法研究了In₂SSe/Sb范德华异质结的光催化性质. 计算结果表明， In₂SSe/Sb异质结是直接带隙半导体，带隙为0.82 eV，其能带结构呈交错型排列，在异质结界面处会形成由Sb指向In₂SSe的内置电场，构成Z型异质结结构，有利于电子-空穴对的有效分离. 异质结的带边位置跨越水的氧化还原电位并表现出从红光到紫外光的强光吸收. 该研究结果为基于In₂SSe/Sb异质结的设计提供了理论参考.

关键词: In₂SSe/Sb, 范德华异质结, 第一性原理, 光催化

Abstract:

The photocatalytic properties of two-dimensional In₂SSe/Sb van der Waals heterostructure were investi-gated via first-principles method. The results show that In₂SSe/Sb heterostructure possesses the staggered band alignments with a direct band gap of 0.82 eV. As the built-in electric field is pointing from Sb to In₂SSe at the interface， the In₂SSe/Sb heterostructure exhibits type-Z mode， which is beneficial for effective electron-holes separations. Moreover， its band edges straddle water redox potentials and a strong optical absorption spectrum from visible light to ultraviolet light is obtained. Our study would offer theoretical understanding for designing In₂SSe/Sb van der Waals heterostructure.

Key words: In₂SSe/Sb, van der Waals heterostructure, First-principle, Photocatalysis

中图分类号:

O641.12

TrendMD:

曹圣哲, 黄欣, 杨志红. 直接Z型In₂SSe/Sb范德华异质结光催化水分解的第一性原理研究. 高等学校化学学报, 2023, 44(8): 20230145.

CAO Shengzhe, HUANG Xin, YANG Zhihong. First-principles Study of Direct Z-scheme In₂SSe/Sb Heterostructure as Photocatalyst for Water Splitting. Chem. J. Chinese Universities, 2023, 44(8): 20230145.

图/表 7

Fig.1 Top and side views of crystal structures for In2SSe(A) and Sb monolayers(B)

Fig.2 Electronic band structures for In2SSe(A) and Sb monolayers(B)

Fig.3 Top(top panel) and side(bottom panel) views of 12 possible stacking configurations of In2SSe/Sb heterostructures

Fig.4 Ab initio molecular dynamics(AIMD) simulations of In2SSe/Sb heterostructure at 300 K

Fig.5 HSE06 calculated projected electronic band structure and density of states of In2SSe/Sb heterostructure

Fig.6 Electrostatic potential of In2SSe monolayer(A), Sb monolayer(B) and In2SSe/Sb heterostructure(C), the averaged charge density difference of In2SSe/Sb heterostructure along z axis(D)(D) Yellow and cyan represent the accumulation and loss of the electron, respectively.Inset: the 3D averaged charge density difference.

Fig.7 Schematic diagram of photoexcited charge carrier transfer dynamics(A) and optical absorption coefficients of In2SSe/Sb heterostructure(B)

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