二维Janus BiXY（X = Se, Te; Y = I, Br, Cl）材料在光催化水分解中的应用研究

为解决光催化水分解中载流子快速复合和光谱利用率有限的问题，研究人员通过第一性原理计算系统研究了二维Janus BiXY（X = Se, Te; Y = I, Br, Cl）材料的电子结构。结果表明，BiSeI、BiTeI等材料在应变调控下能有效覆盖水氧化还原电位，STH效率超过10%，且具有优异的可见光吸收能力，为太阳能制氢提供了新型候选材料。

　　

在能源危机和环境污染的双重压力下，太阳能驱动的光催化水分解技术被视为实现绿色氢能生产的理想途径。然而，传统光催化剂如g-C₃N₄和磷烯（phosphorene）面临载流子复合率高、光谱响应范围窄等瓶颈问题。近年来，具有不对称结构的二维Janus材料（如MoSSe）因其内置电场可促进电荷分离而备受关注，但针对铋基Janus材料BiXY（X = Se, Te; Y = I, Br, Cl）的系统研究仍属空白。

为解决这一科学问题，辽宁人才计划和国家自然科学基金资助的研究团队通过第一性原理计算，深入探究了BiXY材料的电子结构、应变响应及光催化性能。研究发现，BiSeI、BiTeI等材料在真空环境下即可满足水分解的氧化还原电位要求，而BiSeBr和BiSeCl在5%双轴压缩应变下也能实现能带边缘对齐。更引人注目的是，这些材料的太阳能-氢能转换效率（STH）最高可达10%以上，且载流子迁移率优异，为设计高效光催化剂提供了新思路。该成果发表于《International Journal of Hydrogen Energy》。

关键技术方法
研究采用维也纳从头算模拟软件包（VASP）进行密度泛函理论（DFT）计算，使用PBE泛函处理交换关联能，并引入HSE06杂化泛函修正带隙。通过分子动力学模拟和声子谱分析验证材料稳定性，结合光学吸收谱、吉布斯自由能（ΔG）和形变势理论分别评估光吸收性能、HER/OER反应势垒及载流子迁移率。

研究结果

1. 几何结构与稳定性
   BiXY呈现1T相（空间群P3m1），Bi原子居中连接X/Y原子层。分子动力学模拟证实其在300 K下结构稳定，声子谱无虚频进一步支持动力学稳定性。

2. 电子结构与应变调控
   所有BiXY带隙均大于1.23 eV，其中BiSeI、BiTeI等材料的本征能带边缘可自发覆盖水分解电位。5%压缩应变使BiSeBr/Cl的导带底（CBM）下移0.5 eV，实现全反应热力学可行性。

3. 光学与催化性能
   可见光区吸收系数达10⁵ cm^-1。HER/OER的ΔG计算显示，BiTeI的过电位最低（0.32 eV），应变和电场可进一步降低能垒。STH效率排序为BiTeI（12.1%）> BiSeI（11.4%）> BiTeBr（10.3%）。

4. 载流子迁移率
   BiSeI的电子迁移率高达1,850 cm² V^-1 s^-1，显著高于传统催化剂，有利于光生电荷快速传输。

结论与意义
该研究首次阐明二维Janus BiXY材料通过应变工程实现能带精准调控的机制，其高STH效率和优异的载流子动力学特性突破了现有光催化材料的性能极限。特别是BiSeI和BiTeI系列材料兼具热力学自发性和动力学优势，为开发新一代太阳能制氢系统提供了理论依据。研究团队提出的"应变-能带-催化活性"协同设计策略，也为其他二维功能材料的开发开辟了新路径。