二维Janus结构过渡金属硫族化合物光催化分解水性能调控的理论研究

The two-dimensional semiconductors rapidly become hot materials for the photocatalysis, because of their large specific surface areas and adjustable band-gap structures. The Janus structure transition metal chalcogenides are new members of two-dimensional materials. Besides these advantages above, this kind of material has a intrinsic electric dipole moment, which promotes the separation of photo-induced carriers and the adsorption of water molecules. The intrinsic electric dipole moment also could effectively reduce the photocatalyst's band gap required for water splitting in the infrared region. Therefore, the Janus structure transition metal chalcogenides, with a great application prospect in the field of photocatalytic water splitting for hydrogen production, is worthy of in-depth researching. Based on many-body perturbation theory using GW plus Bethe-Salpeter equation approach, our project intends systematically research the electronic structures and optical properties of the Janus structure MXY (M = Mo or W, X/Y = S, Se, or Te, and X≠Y) monolayer. We will regulate the electronic structures and optical properties by applying stress, introducing vacancy and doping of elements in order to improve the photocatalytic performance of the Janus structure MXY. In addition, our project will also study the electronic structure and optical properties of the vertical heterostructure formed by the single-layer Janus structure MXY to design the high efficient composite photocatalyst. The research of this project will provide theoretical reference for synthesizing and improving the photocatalyst based on the Janus structure transition metal chalcogenides.

二维半导体材料具有极大的比表面积和可控连续调节的电子结构，使其迅速成为光催化领域的研究热点。二维Janus结构过渡金属硫族化合物半导体是二维材料中的新成员。除上述优势外，此类材料还具有固有电偶极矩，这有利于光生载流子分离和水分子吸附，而且能使其突破全解水所需带隙的限制，实现利用红外光分解水。因此，该类材料在光催化分解水制氢领域具有重大的应用前景，值得我们进行深入探索。本项目拟利用基于GW+BSE的第一性原理多体微扰方法，系统地研究单层Janus结构MXY(M=钼或钨, X/Y=硫,硒,或碲,且X≠Y)的电子结构和光学性质，并通过施加应力、引入空位和元素掺杂等方式对这些性质进行调控，以期改善其光催化性能。另外，本项目还将研究基于单层Janus结构MXY的纵向异质结的电子结构和光学性质，设计高效光解水复合催化剂。本项目的研究将为实验合成和改良Janus结构MXY基光催化剂提供理论参考和依据。

通过半导体光催化分解水反应实现太阳能向清洁的氢能的转化，被普遍认为是解决能源危机和环境危机的有效途径。二维Janus结构过渡金属硫族化合物，因为其独特的空间对称破缺结构，在光解水制氢领域具有重大的应用潜力。本项目基于GW+BSE的第一性原理多体微扰方法，根据结构稳定性、光吸收效率、氧化还原能力、载流子迁移率、固有电偶极矩、太阳能转换成氢能效率等指标，筛选出WSSe单层是一种具备优异完全光解水能力的催化剂。针对Janus结构WSSe单层，我们总结了施加应力其光解水的催化性质的调控特征和作用规律。将Janus结构WSSe单层卷成纳米管后，可以通过控制管径大小对应力进行精确调控，我们发现小管径的Janus结构WSSe纳米管拥有较高的太阳能转换成氢能效率，这是改善Janus结构WSSe单层光催化性质的一种潜在有效方案。基于Janus结构WSSe双层，我们设计了二维纵向异质结构光催化体系。由Janus结构WSSe双层经过部分硫原子碲化而形成的WSSe-WSeTe异质结中，层间内建电场较大，且方向和层内内建电场方向一致，促进了光生载流子的空间分离，有利于提高光催化性能。受Janus结构过渡金属硫族化合物中，层内极性调控其光催化性能的启发，我们对二维铁电材料（如α-In2Se3，AgBiP2Se6等）也展开类似的研究。我们分别研究了铁电-顺电相变对AgBiP2Se6光解水催化性能的影响和极性反转对基于α-In2Se3的铁电单原子电催化CO2还原性能的影响。我们的以上研究成果不仅揭示了Janus结构过渡金属硫族化合物的光解水催化性能，而且为实验上改善其催化活性提供了思路和理论依据。