Xu Zhang, Xudong Zhao, Dihua Wu, Yu Jing, Zhen Zhou
Adv Sci, In press [ pdf ]
光解水产氢可以提供一种利用太阳能的有效方法，对解决能源危机和环境污染具有重要应用前景。二维材料具有大比表面积，可以提供大量反应活性位点；二维的特性也可以减小光生电子和空穴的迁移距离，从而减小它们的复合几率，增加量子效率。因此，二维材料被认为是光催化水分解的理想催化剂。寻找带隙合适，能够吸收利用可见光，并拥有高载流子迁移率的二维材料成为这一领域的一个重要课题。
南开大学材料科学与工程学院的周震教授及其团队通过大量第一性原理计算发现一系列有望被用作光解水催化剂的二维材料，层状MPS3(M = Fe, Mn, Ni, Cd, Zn)和MPSe3(M = Fe, Mn)。这些单层结构的能隙处于1.90-3.44 eV，表明它们可以吸收不同波长的光。其中单层MnPSe3与MnPS3是直接带隙半导体，并且MnPSe3在可见光有较强吸收峰，因此MnPSe3是一种很好的可以吸收利用可见光的光解水催化剂。计算结果还表明，单层MnPSe3可以在酸性或中性环境中分解水并同时产生氢气与氧气。通过形变势理论计算还预测了单层MnPSe3有很高的载流子迁移率，并且电子与空穴迁移率差别很大，预示着光生电子/空穴对可以有效分离，将大幅度提高光催化过程的量子效率。这种新型的MnPSe3单层材料有望成为利用可见光催化全分解水的催化剂，从而更加有效地利用太阳能。MnPSe3材料实验已经可以制备出纳米薄片，希望实验室科学家能制备出单层结构，来验证理论预测结果。相关论文发表在Advanced Science上(Advanced Science, 2016, DOI: 10.1002/advs.201600062)。
上述工作得到了国家自然科学基金委创新研究群体基金和教育部创新团队计划的资助。全部计算工作在上海超算完成。
Abstract: The 2D material single-layer MnPSe3 would be a promising photocatalyst for water splitting, as indicated by the proper positions of band edges, strong absorption in visible-light spectrum, broad applicability (pH = 0 – 7), and high carrier mobility.