可见光驱动型SGaInS/GaGePS范德华异质结催化剂实现高效太阳能-氢能转换的理论研究

为开发高效可见光驱动光催化剂，研究人员通过第一性原理计算构建了SGaInS/GaGePS范德华(vdW)异质结。该II型异质结构具有2.38 eV理想带隙，能实现光生载流子有效分离，其能带边缘与水解离氧化还原电位匹配，在SGaInS和GaGePS单层上分别独立催化析氢(HER)和析氧(OER)反应。界面电荷转移形成的内建电场显著增强可见光吸收，为可持续能源技术提供新思路。

　　

随着全球能源需求激增和环境问题加剧，开发清洁可再生能源成为当务之急。太阳能因其储量丰富和可持续性被视为理想选择，但其间歇性特征要求发展高效储能技术。绿色氢能(H₂)凭借高能量密度和零碳排放优势成为焦点，而光催化水分解技术通过模拟自然光合作用，可直接将太阳能转化为氢能。自1972年TiO₂光催化现象发现以来，传统催化剂受限于紫外光响应、载流子复合率高和光腐蚀等问题。二维(2D)材料如过渡金属硫族化合物(TMDs)和Janus结构材料因量子限域效应和独特电子结构崭露头角，但单层材料仍面临电荷分离效率低的瓶颈。

针对这一挑战，研究人员通过密度泛函理论(DFT)系统研究了SGaInS/GaGePS范德华(vdW)异质结的光催化性能。该异质结由两种具有本征电场的Janus单层材料垂直堆叠构成，理论计算显示其形成稳定的II型能带排列，带隙优化至2.38 eV，完美匹配可见光吸收需求。界面电荷重分布产生的内建电场有效抑制电子-空穴复合，同时能带边缘跨域水分解的氧化还原电位，实现空间分离的析氢和析氧反应。

研究采用量子ESPRESSO软件包进行第一性原理计算，使用广义梯度近似(GGA-PBE)处理交换关联能，并引入范德华修正(vdW-DF)描述层间相互作用。通过声子谱分析和从头算分子动力学(AIMD)模拟验证结构稳定性，结合电荷密度差、功函数和光学吸收谱等分析揭示界面电子行为和光响应特性。

结果与讨论部分揭示：

1. 单层材料的晶格常数(3.644 ?和3.761 ?)与文献一致，异质结形成能计算证实其热力学稳定性。
2. 能带结构显示典型的II型排列，导带底(CBM)和价带顶(VBM)分别位于GaGePS和SGaInS单层，促进光生载流子空间分离。
3. 界面电荷转移达0.16 e，形成从SGaInS指向GaGePS的内建电场(0.38 V/?)，有效抑制复合。
4. 光学吸收谱显示异质结在可见光区(400-700 nm)吸收系数较单层提升3倍，归因于允许的间接带隙跃迁。
5. 能带边缘位置(-0.82 V和1.56 V vs. NHE)完全覆盖水分解电位，理论太阳能-氢能(STH)转换效率达18.7%。

结论部分强调：该研究首次从理论上证实SGaInS/GaGePS异质结兼具理想带隙、高效电荷分离和全可见光响应三大特征，其II型能带排列使氧化还原反应分别在两个单层上自发进行。通过精确调控界面电子耦合，实现了"Z机制"光催化剂的理性设计，为实验制备高效vdW光催化剂提供理论蓝图。这项工作不仅拓展了Janus材料在能源领域的应用，更为开发新一代太阳能-氢能转换系统开辟了新途径。论文发表于《Applied Surface Science》，对推动可持续能源技术发展具有重要指导意义。