基于第一性原理的高迁移率二维NI3(HITP)2/g-C3N4异质结光催化析氢效率研究

针对传统光催化材料效率低、光谱响应范围窄的问题，研究人员通过密度泛函理论(DFT)系统研究了二维NI3(HITP)2/g-C3N4异质结的电子结构与光催化性能。研究发现该异质结具有0.238 eV直接带隙、3533 cm2/(V·s)载流子迁移率和31.49%的太阳能-氢能(STH)转换效率，为开发高效光催化水分解材料提供了新思路。

　　

随着工业化进程加速，化石燃料的大规模消耗导致能源危机与环境恶化问题日益严峻。开发绿色可再生能源成为当务之急，其中利用太阳能驱动光催化水分解制氢技术，因其能同时解决能源与环境问题而备受关注。然而传统半导体催化剂如TiO₂、CdS等存在光吸收范围窄、载流子复合率高等缺陷。金属有机框架(MOFs)和石墨相氮化碳(g-C₃N₄)虽展现出良好前景，但单一材料仍面临导电性差或结构缺陷等挑战。构建二维异质结被认为是突破这些瓶颈的有效策略，但关于NI₃(HITP)₂/g-C₃N₄体系的系统性研究仍属空白。

贵州大学的研究团队在《Applied Surface Science》发表论文，采用第一性原理计算系统研究了二维NI₃(HITP)₂/g-C₃N₄异质结的光催化性能。研究通过VASP软件包进行密度泛函理论(DFT)计算，采用PAW赝势和PBE泛函处理电子交换关联作用，设置500 eV截断能和9×9×1 k点网格。通过构建优化异质结模型，结合能带结构、态密度、巴德电荷和光学性质计算，揭示了该体系的电子转移机制与光催化活性。

模型构建
通过几何优化获得体相g-C₃N₄和NI₃(HITP)₂的晶体结构后，沿(001)晶面切割构建二维单层模型。异质结结合能计算证实其稳定性，为后续分析奠定基础。

分析讨论
能带结构显示该异质结具有0.238 eV直接带隙，且呈现非平庸叠加特性。各向异性载流子迁移率高达3533 cm²/(V·s)，差分电荷分析揭示界面存在0.20|e|的电荷转移，形成由g-C₃N₄指向NI₃(HITP)₂的内建电场，有效促进光生载流子分离。

光催化性质
光吸收谱显示异质结在紫外-可见光区均有显著吸收，且较单层材料发生红移。太阳能-氢能转换效率预测值达31.49%，析氢反应吉布斯自由能(ΔG_H*)仅为0.20 eV，接近理想催化剂标准。

结论
该研究首次从理论上证实二维NI₃(HITP)₂/g-C₃N₄异质结具有优异的载流子传输性能和光催化活性。内建电场的形成有效抑制了载流子复合，红移的光吸收特性拓展了太阳光谱利用范围。特别值得注意的是，其STH效率远超传统光催化剂(如TiO₂的~1%)，为设计高效MOFs基光催化材料提供了重要理论指导。这项工作不仅为实验制备指明了方向，更为开发"双碳"目标下的新型清洁能源技术开辟了新路径。