理论模型预测新型二维光催化材料

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ZnSe单层带隙及带边随应力的变化,以及在高压下由蜂窝状 (ph-ZnSe)向四面体型(t-ZnSe)的转变。

二维材料由于具有良好的机械以及独特的电学、光学性质有望成为光电以及光催化领域的新型材料。但由于其厚度仅限于几个原子层,拥有直接能带隙成为二维材料达到高光吸收率的一个重要条件。并且考虑到~46%的太阳能集中在可见光区,因此能吸可见光成为另一个至关重要的前提。比如吸收能量在2.3-2.5 eV的太阳光对太阳能电池效率的提高 (>50%)尤其重要。但目前很少有二维材料同时具备这两种特性。甚至施加应力也不能达到在不改变直隙半导体性质的前提下进行连续带隙调节。因此探索具备连续可调直接带隙的二维材料成为一个重要课题。

美国内布拉斯加大学林肯分校化学系曾晓成讲座教授(同时也是中国科大千人B教授)及其研究团队通过第一性原理动力学模拟发现实验制备的蜂窝状ZnSe单层可以转变成一种新型的、四面体型的单层结构。这种新型的ZnSe单层结构拥有跟蜂窝状ZnSe单层相当的直接带隙 (~3.17 eV). 但不同于蜂窝状ZnSe单层的是这种新型ZnSe单层的直接带隙在施加应力的情况下可连续调节至2.40 eV左右并维持直隙半导体性质不变。同时发现水分解氧化还原电势很好地位于它的带隙之间。 因此相对于蜂窝状ZnSe单层在紫外光下对水分解有良好的光催化作用,这种新型ZnSe单层有望成为利用可见光进行光解水的有效光催化剂,从而更有效的利用太阳能。

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