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First-Principles Computational Screening of Two-Dimensional Polar Materials for Photocatalytic Water Splitting

光催化 分解水 材料科学 极地的 纳米技术 化学物理 化学工程 化学 物理 催化作用 有机化学 天文 工程类
作者
Yunzhi Gao,Qian Zhang,Wei Hu,Jinlong Yang
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:18 (29): 19381-19390 被引量:44
标识
DOI:10.1021/acsnano.4c06544
摘要

The band gap constraint of the photocatalyst for overall water splitting limits the utilization of solar energy. A strategy to broaden the range of light absorption is employing a two-dimensional (2D) polar material as photocatalyst, benefiting from the deflection of the energy level due to their intrinsic internal electric field. Here, by using first-principles computational screening, we search for 2D polar semiconductors for photocatalytic water splitting from both ground- and excited-state perspectives. Applying a unique electronic structure model of polar materials, there are 13 photocatalyst candidates for the hydrogen evolution reaction (HER) and 8 candidates for the oxygen evolution reaction (OER) without barrier energies from the perspective of the ground-state free energy variation calculation. In particular, Cu2As4Cl2S3 and Cu2As4Br2S3 can catalyze HER and OER simultaneously, becoming promising photocatalysts for overall water splitting. Furthermore, by combining ground-state band structure calculations with excited-state charge distribution and transfer calculated by linear-response time-dependent density functional theory (LR-TDDFT) and time-dependent ab initio nonadiabatic molecular dynamics (NAMD), respectively, the rationality of the 2D polar material model has been manifested. The intrinsic built-in electric field promotes the separation of charge carriers while suppressing their recombination. Therefore, our computational work provides a high-throughput method to design high-performance photocatalysts for water splitting.
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