寬禁帶半導體是一種潛在的水分解光催化劑。然而，較寬的帶隙意味著可見光吸收較弱，將電子轉(zhuǎn)移到導帶需要更多的能量，這將極大地限制光催化性能。我們設計了SiC/RGO異質(zhì)結和GaN/RGO異質(zhì)結，利用第一性原理雜化密度泛函理論來探索是否可以改進這一缺點。結果表明，兩種異質(zhì)結都有效地減小了帶隙，光吸收能力明顯增強。然而，只有GaN/RGO異質(zhì)結滿足光催化水分解的條件，即水的氧化還原能級均在其能帶范圍內(nèi)，從而保證了水分解的反應。此外，層間存在電勢阱，這有助于有效地防止光生載流子的重組，從而進一步增強GaN/RGO異質(zhì)結的光催化性能。此外，在水裂解過程中，氧化反應和還原反應以相對同步的速率發(fā)生。這確保了整個反應以更快的速度進行，也提高了光催化的效率。以上發(fā)現(xiàn)為實驗人員探索新型光催化劑提供了可靠的選擇。
圖1. (a) SiC/RGO異質(zhì)結的俯視圖和(b)側視圖。(c)分離的RGO單層和(d) SiC/RGO異質(zhì)結的DOSs。(e)計算了SiC/RGO異質(zhì)結的能帶結構。其LUMO (f)和HOMO (g)的側視圖，等值面值為0.00079 e/Å
3。
圖2. (a) GaN/RGO異質(zhì)結的俯視圖和(b)側視圖。(c)分離的RGO薄片和(d) GaN/RGO異質(zhì)結的DOSs。(e)計算得到的GaN/RGO異質(zhì)結能帶結構。其LUMO (f)和HOMO (g)的側視圖，等值面值為0.001 e/ Å
3。
圖3. (a) GaN/RGO異質(zhì)結AIMD仿真快照俯視圖。(b) 3.0 ps時間尺度，室溫下分子動力學模擬中自由能的變化(c)計算聲子色散譜，水平黑色虛線表示費米能級。
圖4. GaN/RGO異質(zhì)結(a)和SiC/RGO異質(zhì)結(d)的平面平均電荷密度差隨z方向位置的變化曲線。(b) GaN單層和GaN/RGO異質(zhì)結以及(f) SiC單層和SiC/RGO異質(zhì)結的光吸收光譜。GaN/RGO異質(zhì)結(c)和SiC/RGO異質(zhì)結(e)的三維電荷密度差值為0.034 e/ Å
3。
圖5. 計算了SiC和GaN單層氫電極的VBM和CBM電位。顯示了SiC/RGO異質(zhì)結和GaN/RGO異質(zhì)結中載流子的轉(zhuǎn)移和分離。
圖6. GaN/RGO異質(zhì)結中水的光催化分裂產(chǎn)生H
2的機理示意圖。GaN作為電子匯促進了電子-空穴對的分離，并積累了從光激發(fā)RGO注入的電子，用于隨后的水還原生成H
2。
圖7. (a)計算得到的上述GaN/RGO異質(zhì)結和GaN單層在平衡勢下的HER自由能圖。 (b)計算所得的上述SiC/RGO異質(zhì)結和SiC單層在平衡勢下的HER自由能圖。
相關研究成果由江西理工大學能源與機械工程學院Haotian Li等人于2023年發(fā)表在Surface Science (https://doi.org/10.1016/j.susc.2023.122316)上。原文：Rationally designed 2D/2D highly reduced graphene oxide modified wide band gap semiconductor photocatalysts for hydrogen production。
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號
