二维g-C3N4/XP3范德华异质结光催化产氢的第一性原理研究：Z型机制与性能优化

针对光生电荷分离效率低的问题，成都工业学院团队通过第一性原理计算，系统研究了XP3单层材料（X=Ga/Sn/Pb/Sb/Bi）与g-C3N4构建的范德华(vdW)异质结。发现g-C3N4/SbP3和g-C3N4/BiP3具有直接Z型光催化机制，带隙降至2.01/1.93 eV，可见光吸收拓展至500 nm，为太阳能驱动水分解提供了新型高效催化剂设计策略。

　　

在全球能源危机与环境污染的双重压力下，太阳能驱动的光催化水分解制氢技术被视为最具潜力的绿色能源解决方案之一。作为明星催化剂，石墨相氮化碳(g-C₃N₄)虽具有2.7 eV带隙和可见光响应特性，却受限于光生电子-空穴对的快速复合。近年来，通过构建范德华(vdW)异质结来调控载流子动力学成为研究热点，其中Z型光催化体系因其独特的电荷迁移路径和强氧化还原能力备受关注。

成都工业学院的研究团队在《International Journal of Hydrogen Energy》发表论文，首次系统探究了五类三磷化物单层(XP₃, X=Ga/Sn/Pb/Sb/Bi)与g-C<₃N₄的vdW异质结特性。研究采用混合泛函密度泛函理论(HSE06)计算，结合投影缀加波(PAW)方法和GGA-PBE泛函，通过声子谱、分子动力学模拟验证材料稳定性，利用Bader电荷分析界面电荷转移，并计算吉布斯自由能评估析氢反应(HER)和析氧反应(OER)活性。

Properties of XP₃ monolayers
研究发现XP₃单层呈六方褶皱蜂窝结构，间接带隙范围0.72-2.33 eV，其中SbP₃(2.33 eV)和BiP₃(2.20 eV)的导带底(CBM)和价带顶(VBM)能级完全覆盖水分解电位，且具有3.15-3.23 eV/atom的高内聚能。

Electronic structure of g-C₃N₄/XP₃ heterostructures
构建的异质结中，g-C₃N₄/SbP₃和g-C₃N₄/BiP₃呈现典型的II型能带排列，界面电荷转移形成0.31-0.36 eV的内建电场，驱动光生电子从g-C₃N₄的CBM(-1.1 eV)向SbP₃/BiP₃的CBM迁移，空穴则反向运动，实现直接Z型机制。

Optical properties
异质结使光吸收边红移至500 nm，可见光区吸收系数提升2-3倍。SbP₃侧HER过电位仅0.18 eV，g-C₃N₄侧OER过电位0.25 eV，表明其本征催化活性优异。

该研究不仅为二维三磷化物家族在光催化领域的应用奠定理论基础，更创新性地提出"g-C₃N₄-窄带隙磷化物"的Z型异质结设计范式。通过精准调控界面电荷转移和能带对齐，实现了可见光捕获、电荷分离、表面催化三位一体的性能优化，为下一代高效光催化剂开发提供了新思路。Xiaoqing Liu和Jinghong Zhao作为共同第一作者，在Wei Kang教授的指导下完成的这项工作，展现出中国科研人员在新能源材料计算设计领域的前沿探索。