能带弯曲工程化S型异质结MXene-Sc2CF2/PbI2同步实现光催化水分解与CO2加氢制甲醇

为应对全球能源危机与环境污染，研究人员通过第一性原理计算设计出S型异质结MXene-Sc2CF2/PbI2，兼具光解水制氢（HER/XH2=0.94 eV）和CO2还原（OER/XO2=1.84 eV）功能，其太阳能转化效率达24.4%，突破商业应用阈值，为"液态阳光"技术提供新范式。

　　

研究背景
全球能源转型与碳中和目标亟需将可再生能源转化为可存储燃料，同时降低大气CO₂浓度。光催化水分解制氢因其与燃料电池技术的协同性成为研究热点，但氢气储运安全隐患和CO₂减排压力催生了"液态阳光"概念——将CO₂与光解氢催化转化为甲醇。然而现有贵金属催化剂（Pt/IrO₂）成本高昂，且单组分半导体存在载流子复合快、间接带隙材料光利用率低等瓶颈。

贵州大学的研究团队通过第一性原理计算，创新性地将两种间接带隙半导体MXene-Sc₂CF₂（带隙1.92 eV）和PbI₂（带隙2.50 eV）构建为直接带隙S型异质结，实现光催化水分解与CO₂加氢制甲醇的协同反应。该成果发表于《International Journal of Hydrogen Energy》。

关键技术方法
采用VASP软件进行密度泛函理论（DFT）计算，结合HSE06杂化泛函修正带隙；通过非绝热分子动力学模拟载流子复合过程；构建包含石墨烯/BC₃夹层的三明治结构模型；计算氢/氧析出反应（HER/OER）自由能台阶图；采用AM1.5G光谱评估太阳能转化效率。

研究结果

1. 稳定性与电子结构
   异质结晶格失配率<5%，界面形成内建电场（IEF），使间接带隙材料转变为直接带隙（1.32 eV），可见光吸收系数达5×10⁵ cm^?1。

2. 光反应阶段性能
   石墨烯夹层使载流子迁移率提升至5×10⁴ cm²V^?1s^?1（300 K），碘空位修饰的异质结HER交换电流密度超越Pt基准。

3. 光暗反应协同
   S型机制使氧化还原位点分离：空穴富集于PbI₂驱动OER（过电位1.84 eV），电子聚集于MXene端催化CO₂+3H₂→CH₃OH。

结论与意义
该研究开创性地通过能带弯曲工程实现三重功能集成：①突破间接带隙限制；②石墨烯/BC₃夹层调控使太阳能-氢能转化效率达24.4%；③CO₂氢化路径为碳循环提供闭环解决方案。这种"乐高式"二维材料组装策略为替代贵金属催化剂、实现规模化"液态 sunlight"生产提供了理论蓝图。