WTe2/PtS2范德华异质结直接Z型机制设计实现高效全解水光催化

为解决太阳能转化效率低和载流子复合率高的问题，研究人员通过第一性原理计算构建了WTe2/PtS2范德华(vdW)异质结。研究发现该结构具有0.37%的晶格失配度、3.18 eV的内建电场及直接Z型电荷转移路径，实现了28.27%的太阳能-氢能转化效率，在酸/碱/中性条件下均展现优异催化活性，为光催化全解水提供了新策略。

　　

能源危机与环境恶化背景下，光催化水分解技术被视为实现绿色氢能生产的理想途径。然而传统半导体材料面临禁带宽度大、光生载流子复合率高、可见光利用率低等瓶颈。过渡金属二硫化物(TMDs)虽具有独特电子结构，但单层材料存在催化活性位点不足等问题。范德华(vdW)异质结通过弱相互作用整合不同二维材料优势，为设计高效光催化剂提供了新思路。

陕西省自然科学基金支持的研究团队在《Molecular Catalysis》发表研究，采用第一性原理计算方法系统研究了WTe₂/PtS₂异质结。通过VASP软件包进行密度泛函理论(DFT)计算，使用PBE泛函处理交换关联能，引入HSE06杂化泛函修正带隙，结合分子动力学(AIMD)模拟验证热稳定性，最终构建出具有直接Z型电荷转移路径的新型光催化体系。

几何结构
优化后的单层WTe₂和PtS₂晶格常数分别为3.562 ?和3.549 ?，0.37%的微小失配度保障了实验制备可行性。结合能计算和AIMD模拟证实异质结在300K下保持稳定结构。

电子特性
电荷密度差分析显示0.085|e|电子从WTe₂层转移至PtS₂层，形成方向性内建电场（WTe₂→PtS₂）和3.18 eV静电势差。能带弯曲和带隙减小共同诱导直接Z型传输机制：光生电子富集于WTe₂导带底(CBM)，空穴保留在PtS₂价带顶(VBM)，分别驱动析氢反应(HER)和析氧反应(OER)。

光催化性能
该异质结光吸收强度显著高于单层组分，28.27%的太阳能-氢能(STH)转化效率优于已报道同类结构。理论过电位分析表明其在pH 0-14范围内均保持催化活性，突破传统催化剂对pH敏感的限制。

研究证实WTe₂/PtS₂异质结通过三重协同效应（内建电场、能带弯曲、带隙调控）实现高效Z型电荷分离，其独特的拓扑半金属/半导体组合为设计宽pH适应性光催化剂提供了新范式。该工作不仅为实验制备指明方向，更拓展了vdW异质结在能源转换领域的应用边界。