Polarization Switching of Photocatalytic Solar-to-Hydrogen Conversion in Two-Dimensional Single-Layer Lattices: Insights from First-Principles and Non-adiabatic Molecular Dynamics

绝热过程 极化(电化学) 化学物理 材料科学 光催化 氢 纳米技术 物理 化学 物理化学 热力学 量子力学 生物化学 催化作用
作者
Yuliang Liu,Yi-Dong Zhu,Run-Yang Xin,Wenkai Zhao,Xingshuai Lv,Feng Gao,Chuan‐Lu Yang
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry Letters [American Chemical Society]
卷期号:16 (11): 2837-2844 被引量:14
标识
DOI:10.1021/acs.jpclett.5c00028
摘要

Two-dimensional polar materials with adjustable polarization hold significant potential to improve photocatalytic water-splitting performance. However, due to the distinct mechanism for regulating polarization and photocatalysis, achieving efficient polarization modulation for enhanced photocatalytic efficiency remains challenging. Herein, using first-principles calculations with non-adiabatic molecular dynamics simulations, we identify four single-layer materials of MoXX′N 3 Y (X and X′ = Si and Ge; X ≠ X′; and Y = P and As), whose catalytic activity can be well-tuned by polarization switching. Adjusting electronic asymmetry contributes to effective control of electric polarization, ultimately affecting catalytic reaction paths and carrier dynamics. Consequently, P↑ MoGeSiN 3 Y allows spontaneous redox reactions for overall water splitting, unlike P↓ MoSiGeN 3 Y. Besides, the polarization switching in MoXX′N 3 Y monolayers enhances solar-to-hydrogen conversion efficiency and prolongs carrier lifetimes, thereby achieving a polarization-dependent photocatalytic switch. This study opens an avenue to modify the polarization and significantly improve the catalytic efficiency.
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