First-principles Study of Doping and Point Defects Modulating the Photodissociative Water Properties of MoS2/ZnO Heterojunction

doi:10.7503/cjcu20240380

Abstract

Abstract:

The electronic structures， optical properties and photocatalytic performance of MoS₂/ZnO heterojunction doping with C and Pd elements and point defects were studied using first principles calculations. The stable sites of C and Pd atom doping MoS₂/ZnO heterojunction is S2 and Zn site， and the stable defect point is Zn defect. The analysis of electronic structures shows that band edge position of the intrinsic MoS₂/ZnO presents a type II band alignments with a direct band gap of 0.66 eV. Doping and defects can effectively regulate the band gap of MoS₂/ZnO. Pd@Zn system exhibits magnetic semiconductor， V_Mo and V_Zn systems exhibit magnetic metallic properties. Doping and defects increase the light absorption coefficient of MoS₂/ZnO heterojunction in the visible light range（500—760 nm）. Intrinsically， there is a built-in electric field from ZnO layer to MoS₂ layer at the interface in the doping and defective MoS₂/ZnO， which promotes charge transfer from ZnO layer to MoS₂ layer. The charge transfer amount of Pd@Zn， C@S2&Pd@Zn increases. The intrinsic MoS₂/ZnO， C@S2， Pd@Zn， V_S1， V_S2 and V_O systems form direct Z-type heterojunctions， which promote the effective separation of photo generated electron hole pairs. The band edge potential of MoS₂/ZnO， C@S2， Pd@Zn， V_S1， V_S2 and V_O crosses the oxidation-reduction potential at pH=0 and 7， indicating that these heterojunctions can undergo oxidation-reduction reactions under strong acid solution and neutral solution conditions， and the carriers have strong oxidation-reduction ability.

Key words: MoS₂/ZnO heterojunction, Doping and defect, Electronic structure, Photocatalytic property

CLC Number:

O641.12

TrendMD:

WEN Junqing, WANG Jiahui, ZHANG Jianmin. First-principles Study of Doping and Point Defects Modulating the Photodissociative Water Properties of MoS₂/ZnO Heterojunction[J]. Chem. J. Chinese Universities, 2025, 46(2): 20240380.

Figures/Tables 13

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Structure	E_f/eV	Structure	E_f/eV
C@S1	5.31	V_Mo	6.56
C@S2	5.24	V_S1	3.50
C@O	9.59	V_S2	3.45
Pd@Mo	4.54	V_O	4.94
Pd@Zn	-6.49	V_Zn	2.92
C@S2&Pd@Zn	5.69

Structure	E_f/eV	Structure	E_f/eV
C@S1	5.31	V_Mo	6.56
C@S2	5.24	V_S1	3.50
C@O	9.59	V_S2	3.45
Pd@Mo	4.54	V_O	4.94
Pd@Zn	-6.49	V_Zn	2.92
C@S2&Pd@Zn	5.69

Structure	D/nm	d_Mo—S/nm	d_Zn—O/nm	d_C—Mo/nm	d_Pd—O/nm	10²³M/（A·m²）
MoS₂/ZnO	0.319	0.241	0.183	—	—	0
C@S2	0.364	0.242	0.187	0.202	—	0
Pd@Zn	0.251	0.242	0.194	—	0.211	1.681
C@S2&Pd@Zn	0.212	0.241	0.188	0.214	0.221	0
V_Mo	0.430	0.240	0.187	—	—	1.418
V_S1	0.411	0.240	0.189	—	—	0
V_S2	0.409	0.239	0.187	—	—	0
V_O	0.375	0.241	0.190	—	—	0
V_Zn	0.361	0.241	0.187	—	—	1.648

Structure	D/nm	d_Mo—S/nm	d_Zn—O/nm	d_C—Mo/nm	d_Pd—O/nm	10²³M/（A·m²）
MoS₂/ZnO	0.319	0.241	0.183	—	—	0
C@S2	0.364	0.242	0.187	0.202	—	0
Pd@Zn	0.251	0.242	0.194	—	0.211	1.681
C@S2&Pd@Zn	0.212	0.241	0.188	0.214	0.221	0
V_Mo	0.430	0.240	0.187	—	—	1.418
V_S1	0.411	0.240	0.189	—	—	0
V_S2	0.409	0.239	0.187	—	—	0
V_O	0.375	0.241	0.190	—	—	0
V_Zn	0.361	0.241	0.187	—	—	1.648

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