GaP/GaTe范德华异质结界面电荷转移增强光催化水分解的第一性原理研究

《International Journal of Hydrogen Energy》：Enhanced photocatalytic water splitting via interfacial charge transfer in a type-II GaP/GaTe van der Waals heterostructure under ubiquitous pH conditions: A first-principles study

本文通过第一性原理计算系统研究了二维GaP/GaTe范德华异质结（vdW heterostructure）在宽pH条件下的光催化水分解性能。研究发现该异质结具有1.626 eV间接带隙和II型能带对齐（type-II band alignment），其导带最小值（CBM）和价带最大值（VBM）跨域水氧化还原电位，且载流子有效质量低（电子0.436 m0，空穴1.04 m0），界面电荷转移形成的极化电场有效抑制电子-空穴对复合，可见光吸收显著增强，太阳能-氢能（STH）转换效率高达27.05%，为绿色制氢提供了新型催化剂设计思路。

　　

计算细节

本研究基于密度泛函理论（DFT）的第一性原理计算通过剑桥串行总能量包（CASTEP）在Materials Studio环境中进行，并辅以Quantum ESPRESSO（QE）的额外计算。几何优化采用广义梯度近似（GGA）框架，并特别应用Perdew-Burke-Ernzerhof（PBE）泛函来精确模拟电子交换-关联相互作用。

结构特性与稳定性

在构建异质结之前，我们对单层GaTe和GaP进行了几何弛豫。如图1(a)所示，GaP单层呈现出六边形几何结构，具有低翘曲度和P-3m1空间群的对称性。单胞包含一个Ga原子和一个P原子，晶格常数a_GaP为3.89 ?。Ga-P键长d_Ga–P和翘曲高度h_Ga–P分别为2.28 ?和0.39 ?。这些数值与先前报道的结果吻合良好。

结论

我们在DFT框架内从理论上研究了一种新型二维GaP/GaTe范德华（vdW）异质结的结构细节、稳定性、电子和光学特性以及光催化活性。该异质结的晶格失配率为4.76%，所探索的六种堆叠构型的结合能均为高度负值。声子谱中不存在虚频，AIMD模拟证实了其动力学稳定性。