铜钴氧/铜基氧（M=B, Al, Ga, In）同构异质结光催化全解水性能的DFT设计与机制研究

针对传统非同构异质结界面应力大、能带对齐困难等问题，研究人员通过密度泛函理论(DFT)系统研究了CuCoO2 /CuMO2 (M=B/Al/Ga/In)同构异质结。发现CuBO2 和CuInO2 界面化学键更强，CuInO2 载流子传输效率最优，M=Al/Ga/In体系具备适宜的全解水过电位，为设计高效光催化剂提供理论指导。

　　

在可再生能源领域，太阳能驱动的水分解制氢技术被视为解决能源危机的关键途径。然而，现有光催化剂普遍面临可见光吸收不足、载流子复合严重、氧化还原电位不匹配等瓶颈问题。特别是具有独特半金属特性的铜钴氧(CuCoO₂
)材料，虽展现出优异的析氧活性(128.53 μmol h^-1
g^-1
)，但其析氢性能(2.60 μmol h^-1
g^-1
)严重滞后，制约了全解水效率。传统异质结构建策略常因晶格失配导致界面缺陷，而具有相同3R层状结构的铜基氧(CuMO₂
)家族材料，为设计低应力同构异质结提供了新思路。

云南研究团队通过密度泛函理论(DFT)系统模拟了CuCoO₂
/CuMO₂
(M=B/Al/Ga/In)异质结体系。采用PBEsol泛函处理电子交换关联能，通过CASTEP软件包计算界面结合能、态密度(DOS)和光学性质，结合HSE06杂化泛函验证电子结构，定量分析界面电场对电荷转移的影响。

计算结果与讨论

1. 晶体结构与界面特性：所有异质结均呈现强界面化学键，其中CuBO₂
   界面结合能最负(-3.21 eV)，Cu-O键长变化显著。CuInO₂
   界面则表现出最优的载流子迁移通道。
2. 电子结构分析：自旋极化现象集中于CuCoO₂
   侧，CuMO₂
   保持自旋简并。CuCoO₂
   /CuBO₂
   和CuAlO₂
   形成II型异质结，而CuGaO₂
   和CuInO₂
   呈现直接Z型电荷转移机制。
3. 光电性能：M=Al/Ga/In体系具有适宜的水分解过电位，CuInO₂
   异质结可见/红外光吸收范围显著拓宽至650 nm。

结论与展望
该研究首次阐明同构异质结中M位元素对界面工程的调控规律：硼(B)增强界面稳定性，铟(In)优化载流子传输，镓(Ga)/铝(Al)平衡氧化还原能力。提出的"界面电场-能带对齐-自旋极化"协同作用机制，为设计磁性光催化剂提供了新范式。论文发表于《Applied Surface Science》，其理论预测的CuCoO₂
/CuInO₂
体系因兼具宽光谱响应和高效Z型电荷分离特性，有望成为下一代全解水催化剂的候选材料。后续研究可结合分子束外延(MBE)技术验证界面原子排布，并探索压力/应变对异质结性能的调控作用。