基于第一性原理的直接Z型AsP/SnSe2异质结设计及其20.93%太阳能制氢效率突破

本研究通过第一性原理计算（DFT）创新性构建AsP/SnSe2范德华异质结（vdwH），揭示其具备II型能带结构与Z型载流子传输机制，可见光吸收系数高达4.44×105 cm?1，太阳能制氢效率（ηSTH）达20.93%。应变工程调控下ηSTH可提升至38.55%，为全pH条件下光催化水解提供新型高效催化剂设计策略。

　　

Theoretical methods（理论方法）

本研究采用维也纳第一性原理计算软件包（VASP）对AsP/SnSe₂异质结体系进行模拟，使用PBE泛函（GGA方法）处理电子交换关联作用，并引入HSE06杂化泛函修正带隙低估问题。原子间相互作用力通过DFT-D3方法进行校正，确保范德华力描述的准确性。所有计算均设置500 eV截断能，自洽收敛标准为10^?6 eV，原子弛豫至残余力低于0.01 eV/?。

Geometric structure and stability（几何结构与稳定性）

在构建异质结前，首先优化AsP和SnSe₂单层几何结构：AsP晶格常数3.448 ?（As–P键长2.390 ?），SnSe₂晶格常数3.847 ?（Sn–Se键长2.739 ?），与文献值高度吻合。通过晶格失配度计算（<4%）和结合能分析（-2.41 eV）证实异质结结构稳定性。声子谱无虚频表明动力学稳定性，分子动力学模拟显示800 K下结构仍保持完整。

Conclusion（结论）

通过系统研究AsP/SnSe₂异质结的几何结构、电子特性与光响应机制，发现其具有0.62 eV间接带隙和II型能带排列。电荷密度差分揭示异质界面存在由AsP指向SnSe₂的内建电场，驱动Z型载流子传输路径，有效分离光生电子-空穴对并保留强氧化还原能力。异质结在可见光区吸收系数显著高于单层材料，最高达4.44×10⁵ cm^?1。太阳能制氢效率（η_STH）达20.93%，在-4%压应变下η_STH可进一步提升至38.55%，且能带边缘位置满足全pH条件下光催化水分解电位要求。本研究为应变调控异质结光催化性能提供了创新性解决方案。