带隙先减小后增大，最终在应力作用下再次减小：适用于适当pH条件下进行水分解的II型CdO/Al2SSe异质结

《International Journal of Hydrogen Energy》：The band gaps first decrease then increase and last back under strain:Type-II CdO/Al 2SSe heterojunction for water splitting in appropriate pH conditions

构建CdO/Al?SSe异质结并研究其光催化性能，通过第一性原理计算验证稳定性，分析异质结的Type-II带结构特性及pH值对带边位置的影响，发现施加适度应变可扩展光吸收范围并降低带隙，显著提升制氢效率。

　　这项研究聚焦于构建CdO/Al?SSe异质结，并通过第一性原理计算方法对其稳定性、电子结构、光学性质以及光催化性能的提升进行了系统分析。研究者首先构建了12种CdO/Al?SSe范德华异质结结构，随后通过计算结合能筛选出两种结合能最低的堆叠模式，作为后续研究的基础。通过HSE06混合泛函方法计算了异质结的能带结构，并结合投影能带和功函数的分析，确认了该异质结具有Type-II型的能带结构。这一结构特点有助于有效分离光生电子-空穴对，从而显著提高光催化反应的效率。此外，研究者还调整了系统的pH值至中性，使得整个体系的氧化还原电位相较于酸性条件（pH=0）整体上移，使得异质结的能带边位置更有利于光催化水分解反应的进行。为了进一步优化材料的光催化性能，研究者还施加了外部应变，结果表明适度的应变能够有效扩展异质结的光吸收范围，提升其对可见光的吸收能力。这些发现不仅为高效光催化材料的开发提供了理论支持，也为通过应变工程优化光催化材料性能提供了新的思路。

光催化水分解技术作为绿色可持续制氢的重要手段，近年来受到了广泛的关注。然而，当前的光催化技术仍面临诸多挑战，如可见光利用率低、光催化效率不足等问题。因此，设计高效的光催化材料成为实现光催化水分解商业化应用的关键。二维材料因其独特的物理和化学性质以及广泛的应用潜力，成为研究的热点之一。例如，过渡金属氧化物（TMOs）和过渡金属二硫属化合物（TMDs）等二维材料已被广泛应用于能量转换和光催化领域。与此同时，大量理论和实验研究表明，这类材料在不同领域中具有显著的应用前景。例如，M Yu等人发现InSe和GaSe异质结构在光电器件中表现出优异的性能；Wang等人则展示了通过应变调控的g-C?N?异质结构在光催化水分解中具有显著的活性提升；L Meng等人发现，在应变作用下，BP/AlN表现出优异的电子迁移率，使其在下一代电子器件中具有巨大的潜力。

然而，单一的二维材料在实际应用中仍存在一定的局限性。例如，光生电子-空穴对的高复合率以及在光催化应用中较窄的光吸收范围，限制了其性能。为了克服这些问题，构建异质结结构成为提高二维材料光催化性能的重要策略。通过将不同的半导体材料结合，形成范德华异质结，可以有效分离光生电子-空穴对，并优化能带结构和光吸收性能。当两种材料形成异质结时，如果它们的能带边存在一定的错位，这种能带排列被称为Type-II型异质结。这种具有错位能带结构的异质结有助于更有效地分离电子-空穴对，从而显著提升光催化效率。此外，Type-II型异质结还具有多个显著优势：首先，它可以扩展光谱响应范围，不同半导体材料对不同波长的光具有不同的吸收特性，通过组合多种材料可以有效覆盖更广的光谱范围，从而提升光能吸收效率；其次，它可以提高载流子分离效率，由于能带排列的不同，异质结内部形成的电场有助于快速分离光生电子和空穴，减少其复合的可能性；最后，它能够增加反应活性位点，每种半导体材料都提供独特的表面活性位点，通过组合不同材料可以优化特定反应的需求，从而提升反应的选择性和催化活性。因此，Type-II型异质结的设计和应用在光催化领域受到了广泛关注和深入研究。

在构建异质结的过程中，寻找两种在能带结构和晶格失配率方面都符合要求的材料仍然是一个巨大的挑战。尽管某些半导体材料在特定波长范围内具有良好的光吸收性能，但它们的能带结构往往无法满足理想光催化材料的要求。此外，材料的晶格失配问题也是影响异质结性能的重要因素。如果两种材料的晶格常数相差较大，可能会在界面处产生应力和缺陷，进而影响异质结的性能和稳定性。因此，寻找合适的材料组合不仅需要优化能带结构，还需要确保晶格匹配处于可控范围内。CdO作为一种具有1.98 eV能带宽度的半导体材料，在可见光范围内具有较高的吸收效率；而Al?SSe作为一种具有不对称镜像对称结构的二维材料，表现出独特的物理和化学性质。然而，由于CdO的氧化还原电位无法满足水分解的条件，而Al?SSe的能带宽度为2.66 eV，因此考虑构建一种范德华异质结以提升其氧化还原电位并降低能带宽度。同时，CdO和Al?SSe具有相似的蜂窝结构，其晶格失配率低于5%，这为CdO和Al?SSe异质结的实验合成提供了良好的可行性。

基于上述背景，本文提出使用CdO和Al?SSe构建范德华异质结，并通过第一性原理计算方法对其电子性质和光吸收性质进行了详细分析。首先，研究者验证了材料的稳定性，借助声子谱分析，结果表明CdO、Al?SSe及其组合的异质结均未表现出虚频，这意味着它们在实际应用中具有较高的结构稳定性，能够确保材料的长期可操作性。此外，通过深入的能带结构和功函数计算，研究者揭示了CdO/Al?SSe异质结具有Type-II型的能带结构，这种结构有助于有效分离光生电子-空穴对，从而显著提升光催化反应的效率。为了进一步优化光催化反应的条件，研究者还尝试调整系统的pH值，使其处于中性状态，从而改善反应环境。在此基础上，研究者还探讨了外部双向应变对CdO/Al?SSe异质结的影响。通过调整应变，异质结的能带宽度、能带边位置以及光吸收范围都发生了显著变化。研究结果表明，双向应变能够有效降低异质结的能带宽度，从而提升其对可见光的吸收能力，并扩展光催化反应的光谱响应范围。这一发现不仅为高效光催化材料的进一步开发提供了理论支持，也为通过应变工程优化光催化材料性能提供了新的思路。

光催化水分解技术作为制备绿色氢能的重要途径，其研究意义不言而喻。然而，如何提升光催化材料的性能，使其在可见光范围内具有更高的光吸收效率和更低的电子-空穴复合率，是当前研究的难点之一。本文通过构建CdO/Al?SSe异质结，结合第一性原理计算方法，系统分析了其在光催化反应中的性能表现。研究者首先通过声子谱分析验证了材料的稳定性，确认了其在实际应用中的可行性。随后，通过能带结构和功函数的计算，揭示了异质结具有Type-II型的能带结构，这种结构有助于更有效地分离光生电子和空穴，从而显著提升光催化效率。此外，研究者还通过调整系统的pH值至中性，使得整个体系的氧化还原电位整体上移，进一步优化了光催化反应的条件。最后，研究者还探讨了外部应变对异质结性能的影响，结果表明施加适度的应变能够有效扩展异质结的光吸收范围，提升其对可见光的吸收能力，同时降低能带宽度，使得异质结在光催化反应中表现出更优的性能。这些研究结果不仅为高效光催化材料的设计提供了新的方向，也为在实际应用中优化光催化材料性能提供了重要的理论依据。

在实际应用中，光催化材料的性能不仅取决于其能带结构和光吸收能力，还受到反应环境和外部条件的影响。例如，pH值的调整能够显著影响氧化还原电位，从而优化光催化反应的条件。此外，外部应变的施加能够有效改变异质结的能带宽度和光吸收范围，进一步提升其性能。因此，在构建和优化光催化材料时，需要综合考虑这些因素，并进行系统的实验和理论分析。本文通过构建CdO/Al?SSe异质结，结合第一性原理计算方法，系统分析了其在光催化反应中的性能表现。研究结果表明，这种异质结不仅在结构上具有良好的稳定性，而且在光催化性能方面也表现出显著的提升。此外，通过调整pH值和施加应变，研究者进一步优化了异质结的性能，使其更适用于光催化水分解反应。这些发现为光催化材料的进一步研究和开发提供了重要的理论支持，并为实际应用中提升光催化性能提供了新的思路。

光催化材料的研究不仅局限于其自身的性能优化，还涉及到与其他材料的协同作用以及在不同环境下的适应性。例如，通过构建异质结结构，可以将不同材料的优势结合起来，从而提升整体的性能。同时，调整反应环境如pH值，也可以有效优化材料的性能表现。此外，外部应变的施加不仅能够改变异质结的能带结构，还能够影响其电子迁移率和光吸收能力。因此，在实际应用中，需要根据具体的反应需求，选择合适的材料组合，并优化反应条件和外部参数，以实现最佳的光催化性能。本文通过构建CdO/Al?SSe异质结，结合第一性原理计算方法，系统分析了其在光催化反应中的性能表现，并通过调整pH值和施加应变进一步优化了其性能。这些研究结果不仅为高效光催化材料的设计提供了新的方向，也为在实际应用中提升光催化性能提供了重要的理论依据。

此外，光催化材料的性能优化还需要考虑其在实际应用中的可行性。例如，材料的稳定性是其能否长期使用的重要因素，而晶格匹配率则影响其界面质量，进而影响其性能。因此，在构建异质结结构时，需要选择具有相似结构和晶格匹配率的材料，以确保其在实际应用中的可行性。本文所选择的CdO和Al?SSe材料，其晶格匹配率低于5%，并且具有相似的蜂窝结构，这为异质结的实验合成提供了良好的基础。同时，通过第一性原理计算方法，研究者验证了材料的稳定性，并分析了其电子结构和光学性质，为异质结的性能优化提供了重要的理论支持。

综上所述，本文通过构建CdO/Al?SSe异质结，结合第一性原理计算方法，系统分析了其在光催化反应中的性能表现。研究结果表明，这种异质结不仅在结构上具有良好的稳定性，而且在光催化性能方面也表现出显著的提升。通过调整pH值和施加应变，研究者进一步优化了异质结的性能，使其更适用于光催化水分解反应。这些发现不仅为高效光催化材料的设计提供了新的方向，也为在实际应用中提升光催化性能提供了重要的理论依据。未来，随着对光催化材料研究的不断深入，更多具有优异性能的材料组合将被发现，并应用于实际的能源生产和环境保护领域。