高效催化Z型GaAs/GeTe异质结光催化剂的第一性原理研究：揭示水分解新机制

本研究针对传统光催化剂载流子复合率高、光谱响应范围窄等问题，通过第一性原理计算系统探究了GaAs/GeTe Z型异质结的结构与性能。发现该异质结具有1.37 eV间接带隙和跨pH 0-14的水氧化还原电位匹配特性，Z型电子转移机制使太阳能转化效率达12.25%，为设计高效光解水材料提供了新思路。

　　

随着全球能源危机加剧，开发清洁能源技术成为当务之急。太阳能驱动的水分解制氢被视为理想解决方案，但传统光催化剂面临载流子快速复合、光谱吸收范围有限等瓶颈。尽管二维材料因其高比表面积和可调带隙受到关注，单层结构仍存在载流子迁移率不足等问题。如何通过材料设计实现高效光生电荷分离，成为突破该领域技术壁垒的关键。

长安大学的研究团队在《International Journal of Hydrogen Energy》发表研究，采用密度泛函理论（DFT）系统分析了GaAs/GeTe异质结的性能。通过PBE泛函和HSE06杂化泛函计算，结合电荷密度差分析和能带对齐研究，发现该异质结呈现1.37 eV间接带隙的II型能带排列。Z型电子转移机制由界面内建电场驱动，使氢氧反应活性位点空间分离。特别值得注意的是，该材料在0-14全pH范围内满足水分解电位要求，压缩应变下仍保持催化活性，最终实现12.25%的太阳能-氢能（STH）转化效率。

主要技术方法
研究采用VASP软件进行第一性原理计算，设置450 eV截断能和10^-5 eV收敛标准。采用GGA-PBE泛函优化几何结构，HSE06杂化泛函修正带隙。通过电荷密度差（CDD）和能带弯曲分析揭示Z型传输机制，利用光学吸收谱评估光捕获能力。

GaAs/GeTe异质结几何结构
优化后GaAs和GeTe单层晶格常数分别为3.99 ?和4.19 ?，构建的异质结模型显示界面间距3.02 ?，结合能-1.12 eV证实结构稳定性。

电子性质与Z型机制
能带分析显示CBM和VBM分别位于GeTe和GaAs层，形成II型对齐。界面处0.28 eV的功函数差产生内建电场，驱动电子沿GaAs→GeTe→GaAs的Z型路径转移，有效分离氧化还原位点。

光催化性能
带边位置跨越H⁺/H₂（-4.44 eV）和O₂/H₂O（-5.67 eV）电位，在可见光区吸收系数达10⁵ cm^-1。压缩应变10%时带隙仍保持1.21 eV，证明环境适应性。

结论与意义
该研究首次揭示GaAs/GeTe异质结的Z型传输机制，其性能优于WSSe-WSeTe等对照材料。高载流子迁移率（2838 cm²V^-1s^-1）和宽光谱响应特性，使其成为目前报道的STH效率最高的Z型光催化剂之一，为可再生能源转换材料设计提供了理论指导。