g-C3 N4 /ZrS2 范德华异质结的直接Z型电荷转移机制及其高效太阳能水分解应用

针对光催化水分解中载流子复合率高和可见光吸收受限的难题，研究人员通过第一性原理计算构建了g-C3 N4 /ZrS2 范德华异质结。研究发现该结构具有1.61 eV间接带隙和II型能带排列，Z型电荷转移路径抑制电子-空穴复合，可见光吸收效率提升，太阳能-氢转化率达42.29%，为清洁能源开发提供新策略。

　　

随着全球能源危机与环境问题日益严峻，开发高效可持续的氢能生产技术成为科学界焦点。1972年Fujishima和本田发现二氧化钛光催化水分解现象以来，半导体光催化剂研究持续深入。石墨相氮化碳(g-C₃
N₄
)因其独特的π共轭结构和适宜能带位置备受关注，但面临载流子复合快、可见光吸收范围窄等瓶颈。与此同时，二维过渡金属二硫化物(TMDs)因其可调电子结构和优异载流子迁移率展现出巨大潜力。贵州大学的研究团队通过构建g-C₃
N₄
/ZrS₂
范德华(vdW)异质结，系统探究了其光催化水分解性能，相关成果发表于《International Journal of Hydrogen Energy》。

研究采用基于HSE06泛函和DFT-D3修正的第一性原理计算，通过VASP软件包进行结构优化与电子性质分析，结合VASPKIT工具包处理数据，并利用声子谱和分子动力学模拟验证稳定性。

【结构优化与稳定性】
优化后的g-C₃
N₄
和ZrS₂
单层晶格常数分别为7.13 ?和3.66 ?。异质结形成能计算(-2.03 eV)和声子谱分析证实其热力学稳定性，分子动力学模拟显示该结构在300K下可稳定存在。

【电子性质与电荷转移】
异质结呈现1.61 eV间接带隙和II型能带排列。差分电荷密度分析揭示界面处电子从g-C₃
N₄
向ZrS₂
迁移，形成0.31 eV/?内建电场，驱动Z型电荷转移路径，使还原/氧化位点空间分离。

【光学性能与催化活性】
介电函数计算表明异质结可见光吸收系数较单组分提升3倍。导带底(-0.42 eV)和价带顶(1.19 eV)分别满足水还原(H⁺
/H₂
)和氧化(O₂
/H₂
O)电位要求，理论太阳能-氢转化效率达42.29%。

该研究通过精准能带调控构建了具有Z型机制的vdW异质结，解决了传统光催化剂载流子复合与光吸收效率的矛盾。异质结在真空和水溶剂中的稳定性预示其实际应用潜力，为设计高效太阳能转化系统提供了新范式。研究不仅深化了对二维材料界面电荷转移机制的理解，更为发展碳中和能源技术奠定了理论基础。