单层Bi2 S4 高效光催化制氢的第一性原理研究：迈向可持续清洁能源的新突破

为应对全球能源危机与环境污染，研究人员通过密度泛函理论(DFT)系统研究了单层Bi2 S4 的光催化性能。该材料具有2.16 eV的HSE修正带隙、105 cm?1 的高吸收系数及pH调控的双重催化功能，可实现14.36%的太阳能-氢能(STH)转换效率，为无辅助催化剂的全解水系统提供了新思路。

　　

随着全球气候变化与能源短缺问题日益严峻，利用太阳能驱动水分解制氢成为解决清洁能源需求的关键途径。然而，传统光催化剂如TiO₂
仅能响应紫外光，而可见光响应的材料又普遍面临电荷复合快、需要外接助催化剂等问题。二维材料因其独特的表面效应和电子特性被视为突破口，其中铋基硫化物因成本低、抗光腐蚀性强备受关注，但对其单层结构的系统性研究仍属空白。

针对这一挑战，研究人员通过第一性原理计算深入探索了单层Bi₂
S₄
的催化潜力。采用量子ESPRESSO软件包进行密度泛函理论(DFT)计算，结合PBE-GGA泛函和HSE06杂化泛函修正带隙，通过声子谱、弹性常数及NVT系综模拟验证稳定性，并计算能带结构、光学吸收谱及pH依赖的能带边位置。

结构特性
单层Bi₂
S₄
呈现单斜晶系(C2/m空间群)，Bi-S共价键形成扭曲亚晶格。声子谱无虚频证实动力学稳定性，弹性常数满足Born-Huang准则，杨氏模量达70 GPa，展现优异机械强度。

电子与光学性能
HSE计算显示2.16 eV间接带隙，价带顶由Bi-6p和S-3p轨道组成，导带底为Bi-6p态，促进光生载流子分离。可见光区吸收系数达10⁵
cm^?1
，反射率低于5%，显著提升光子利用率。

催化机制
pH调控实现双重功能：中性条件下，导带(-0.82 V)低于H⁺
/H₂
电位(-0.41 V)，价带(1.34 V)高于O₂
/H₂
O电位(0.82 V)，可同时驱动产氢(HER)和产氧(OER)；酸性环境仅激活HER，碱性条件优先进行OER。

结论与意义
该研究首次揭示单层Bi₂
S₄
作为"全解水一体化催化剂"的潜力：14.36%的STH效率接近理论极限，无需外接助催化剂即可实现pH调控的双功能催化，其机械稳定性与抗腐蚀性为实际应用奠定基础。论文发表于《International Journal of Hydrogen Energy》，为设计高效、稳定的可见光催化剂提供了新范式，推动清洁能源技术发展。