S型GeC/SnS2异质结光催化剂实现82.47%超高太阳能-氢转化效率的全解水应用

针对单层二维材料光生载流子复合快、氧化还原能力弱等问题，中国研究人员通过第一性原理计算构建了S型GeC/SnS2异质结光催化剂。研究发现该体系具有0.39 eV间接带隙、II型能带排列和0.27 eV低HER势垒，在4%双轴应变下STH效率提升至84.82%，为太阳能制氢提供了高效稳定的新型催化材料。

　　

随着化石能源枯竭与环境问题加剧，氢能作为清洁可再生能源备受关注。传统制氢方法如蒸汽重整存在高能耗缺陷，而利用太阳能光催化分解水制氢因其环保可持续性成为研究热点。然而，当前主流光催化剂如TiO₂、g-C₃N₄等面临光生载流子复合快、太阳光利用率低等瓶颈。二维材料虽具有独特光电特性，但单层结构难以同时满足载流子分离与氧化还原需求，这促使研究人员探索新型异质结体系。

中国某研究机构团队在《International Journal of Hydrogen Energy》发表研究，采用第一性原理计算方法系统研究了GeC/SnS₂异质结的几何结构、电子特性与光学性能。通过VASP软件包进行密度泛函理论(DFT)计算，采用PAW赝势和PBE泛函处理电子相互作用，结合HSE06杂化泛函修正带隙，并利用AIMD模拟验证结构稳定性。

几何结构与电子特性
优化后的GeC/SnS₂异质结呈现3.26 ?与3.70 ?的晶格常数，形成II型能带结构的间接带隙半导体(0.39 eV)。电荷密度差分析显示界面存在显著电子转移，功函数计算证实S型电荷转移机制，有利于光生电子-空穴对分离并保留强氧化还原能力。

光催化性能
该异质结的导带最小值(CBM)和价带最大值(VBM)分别跨越水分解的氧化还原电位，HER势垒仅0.27 eV。未应变状态下即展现82.47%的STH效率，光学吸收系数达10⁵ cm^-1量级。应变调控研究发现，4%双轴应变使STH效率提升至84.82%，2%应变下HER势垒更降至0.03 eV。

结论与意义
该研究首次从理论上证实GeC/SnS₂异质结具备S型电荷转移机制与应变可调特性，突破单组分催化剂在载流子分离与反应动力学方面的限制。82.47%的STH效率远超多数报道体系，为设计高效太阳能制氢催化剂提供新思路。研究结果不仅深化对二维异质结界面效应的理解，更为开发低成本、高稳定性光催化材料奠定理论基础，对推动绿色氢能产业化具有重要指导价值。