第一性原理揭示ZnO/β-AsP直接Z型异质结光催化分解水性能增强机制

本刊推荐：本研究通过第一性原理计算，系统揭示了ZnO/β-AsP直接Z型异质结（direct Z-scheme heterostructure）在光催化分解水中的卓越性能。该异质结具有窄带隙（2.17 eV）、高载流子迁移率（3.85×103 cm2V-1s-1）、低激子结合能（0.29 eV）和强内置电场等优势，其能带边缘跨域水还原/氧化电位，应变工程可进一步优化电子结构，为实现高效太阳能驱动水分解提供了重要理论指导。

　　

Highlight

• ZnO/β-AsP异质结展现出直接Z型（direct Z-scheme）载流子迁移路径

• 可见光吸收和载流子分离效率显著提升

• 内置电场有效抑制电子-空穴复合

• 应变工程成功调控能带结构并实现全分解水热力学要求

Computational methods

所有结构优化和性质计算均采用基于投影缀加波（PAW）方法的Vienna Ab-initio Simulation Package（VASP）软件完成。交换关联泛函使用广义梯度近似下的Perdew-Burke-Ernzerhof（GGA-PBE）泛函，范德华相互作用通过包含色散校正的密度泛函理论（DFT-D3）进行描述。截断能设置为500 eV，能量和力的收敛标准分别为10^-5 eV和0.01 eV/?。第一布里渊区采用 Monkhorst-Pack 方法生成 k 点网格进行采样。为了避免层间相互作用，在垂直方向设置了超过15 ?的真空层。采用HSE06杂化泛函计算电子结构和光学性质，以更准确描述带隙大小。载流子迁移率通过形变势理论进行计算，而激子结合能则通过求解Bethe-Salpeter方程（BSE）获得。

Geometric and electronic structures of pristine monolayers

在探究ZnO/β-AsP异质结之前，需要先对原始ZnO和β-AsP单层的几何与电子结构有整体认识。如图1所示，两种单层均呈现蜂窝状结构；然而，ZnO单层为平面结构，而β-AsP单层则是翘曲结构，厚度为1.32 ?。完全优化后的晶格常数分别为ZnO 3.29 ?和β-AsP 3.43 ?，它们之间较小的晶格失配为异质结的构建提供了便利。

Conclusions

本工作系统研究了ZnO/β-AsP异质结的结构、电子和光学性质，以探索其光催化分解水性能。结果表明，ZnO/β-AsP异质结具有更小的带隙（E_g=2.17 eV）和增强的光吸收能力，同时具备更高的载流子迁移率（高达3.85×10³ cm²V^-1s^-1）和更低的激子结合能（0.29 eV），这些特性共同赋予其卓越的光电性能和高效的光催化活性。