新型二维半导体Ag2CdP2S6光催化剂：太阳能水分解高效制氢的突破

为解决化石燃料导致的温室气体排放和能源危机问题，研究人员通过DFT计算探究了新型二维半导体Ag2CdP2S6的光催化性能。结果表明该材料具有直接带隙（HSE06: 3.15 eV）、优异的光吸收特性及近理想Gibbs自由能（ΔGH*≈-0.02 eV），可在宽pH范围内实现高效HER，为可再生能源技术提供了新思路。

　　

全球75%的温室气体排放源自工业领域化石燃料消耗，这不仅加剧气候变化，还通过呼吸道疾病、粮食安全等问题威胁人类健康。在碳中和目标下，发展太阳能驱动的"绿氢"生产技术成为关键突破口。传统工业制氢依赖化石燃料，而光催化水分解技术可直接将太阳能转化为氢能，但核心挑战在于开发高效稳定的光电极材料。

研究人员通过密度泛函理论系统研究了Ag₂CdP₂S₆单层的性能。该材料属于六方晶系金属硫代磷酸盐家族，空间群为P312。理论计算结合声子谱分析和分子动力学模拟证实其具有优异的动态和热稳定性（300K下结构稳定）。采用HSE06杂化泛函精确计算电子结构，并通过ELF（电子局域函数）分析揭示其Ag-S、Cd-S为离子键，P-S为共价键的杂化成键特性。

研究结果显示，Ag₂CdP₂S₆具有直接带隙特性，PBE和HSE06水平带隙分别为1.95 eV和3.15 eV。其导带底（CBM=-3.69 eV）和价带顶（VBM=-6.84 eV）完全满足水分解的电位要求。光学分析显示材料在紫外区（8.57 eV）和可见光区（3.26 eV）均有显著吸收峰，静态折射率达1.7，优于传统MoS₂催化剂。

在催化性能方面，通过计算不同pH条件下氢吸附的Gibbs自由能变化（ΔG_H），发现磷（P）位点在酸性条件下表现最优（ΔG_H=-0.02 eV），而倾斜硫（S）位点在中性（pH=7）和弱碱性（pH=8.3）条件下分别呈现0.66 eV和0.51 eV的ΔG_H^*值，特别适合海水环境应用。电荷密度差分析证实光生电子可有效转移至吸附氢原子，其中P位点的电荷主要源自P原子自身，而Cd位点的电荷转移则依赖周围S原子。

这项研究首次揭示了Ag₂CdP₂S₆作为宽pH适应性光催化剂的巨大潜力，其性能优势源于：①适中的直接带隙实现太阳光谱高效利用；②独特的电子结构促进电荷分离；③多活性位点协同作用。该工作为设计新型过渡金属硫代磷酸盐光电极提供了理论框架，对推动可再生能源技术发展具有重要意义。论文发表于《Next Materials》，建议后续研究可通过应变调控或构建异质结进一步优化其催化性能。