可调带隙S型GaSe/WSi2 N4 异质结构高效光催化制氢机制研究

【编辑推荐】针对传统半导体光催化剂载流子复合率高、太阳光利用率低的问题，贵州大学团队通过第一性原理计算构建了S型GaSe/WSi2 N4 异质结构。该材料展现2.02 eV带隙、5691.01 cm2 V-1 s-1 超高电子迁移率及全pH值范围水分解能力，应变调控下STH效率提升至31%，为太阳能制氢提供了新型高效催化剂设计策略。

　　

随着化石能源消耗引发的环境危机加剧，开发清洁能源成为全球焦点。氢能因其零碳排放特性被视为理想替代能源，而利用太阳能直接分解水制氢的光催化技术成为研究热点。然而传统半导体材料面临载流子快速复合、光吸收范围窄、催化效率低等瓶颈，特别是单一半导体难以同时满足1.23 eV水分解电位与宽光谱吸收的双重要求。二维材料异质结构为这一难题提供了新思路，其中S型（Step-scheme）异质结通过独特的电荷转移路径可显著提升光催化性能。

贵州大学研究人员在《Materials Today Communications》发表的研究中，创新性地将单层GaSe与WSi₂
N₄
构建为vdW异质结构。通过第一性原理计算系统分析了其几何构型、电子结构、载流子动力学等特性，采用HSE06杂化泛函精确计算能带结构，结合形变势理论计算载流子迁移率，并评估了不同应变条件下的光催化活性。

几何配置与稳定性
通过结合能（-0.34 eV/?）和声子谱验证了GaSe/WSi₂
N₄
异质结构的稳定性。单层GaSe呈Se-Ga-Ga-Se堆叠，而WSi₂
N₄
为六方晶格，两者形成2.98 ?的vdW间隙，界面结合能低于石墨烯，表明易于实验制备。

电子结构与电荷转移
HSE06计算显示异质结构具有2.02 eV直接带隙，满足可见光吸收需求。差分电荷密度证实电荷从WSi₂
N₄
向GaSe转移，形成0.31 eV内置电场，符合S型异质结特征——GaSe作为还原光催化剂（RP）的导带底（CBM）高于WSi₂
N₄
的氧化光催化剂（OP），促进电子-空穴对的有效分离。

载流子动力学
异质结构展现超高电子迁移率（5691.01 cm²
V^-1
s^-1
），是单层WSi₂
N₄
的1.7倍，归因于载流子有效质量降低和电声耦合减弱。瞬态吸收光谱显示载流子寿命达纳秒级，远优于传统TiO₂
催化剂。

光催化性能
在pH=0时太阳能-氢能（STH）转换效率达12.3%，酸性条件下氢析出反应（HER）吉布斯自由能仅为-0.12 eV。独特之处在于全pH范围（0-14）均能自发进行水分解，突破多数催化剂需特定pH的限制。

应变调控效应
4%拉伸应变使带隙降至1.78 eV，可见光吸收系数提升47%，STH效率飙升至31%。压缩应变则通过改变能带对齐方式优化OER活性，展示出优异的可调控性。

该研究通过精准的能带设计解决了光催化材料"宽吸收"与"强氧化还原能力"难以兼顾的矛盾，S型电荷转移机制使异质结构兼具GaSe的高还原性与WSi₂
N₄
的强氧化性。31%的STH效率已接近商业化阈值（>10%），为太阳能规模化制氢提供了新材料体系。应变调控策略更开辟了无需化学修饰的性能优化新途径，对推动氢能产业化具有重要指导意义。