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First-Principles Study of the Auxetic and Photocatalytic Properties of Rippled Ge9C15 Monolayers: Implications for Photocatalytic Water Splitting

单层 辅助 光催化 材料科学 带隙 光催化分解水 分解水 纳米技术 工作职能 电子结构 凝聚态物理 复合材料 光电子学 化学 物理 催化作用 生物化学 图层(电子)
作者
Xiaobiao Liu,Yibing Zheng,Yaduo Jiang,Shiyang Qi,Mengjiao Zhang,Ming Tan,Lili Wu,Mingwen Zhao
出处
期刊:ACS applied nano materials [American Chemical Society]
卷期号:7 (1): 424-432 被引量:2
标识
DOI:10.1021/acsanm.3c04606
摘要

Two-dimensional (2D) materials comprising Group-IV elements have garnered significant attention owing to their captivating properties and immense potential for application in nanotechnology. Based on first-principles calculations, we propose a stable configuration of a 2D germanium carbide material, namely, Ge9C15 monolayer, which exhibits a unique rippled geometry. Our calculations reveal that this Ge9C15 monolayer exhibits an anisotropic Young's modulus ranging from 25.3 to 70.4 GPa·nm, as well as auxeticity characterized by a negative Poisson's ratio of up to −0.6. The coexistence of sp2 and sp3 hybridization, along with mixed binding characteristics, results in a direct bandgap of 2.06 eV. Remarkably, the electronic properties of the rippled Ge9C15 monolayer, including bandgaps, band edges, and work function, remain robust even under extensile strains of up to 6%. Additionally, it exhibits high sunlight absorption and an appropriate band edge, rendering it highly promising for photocatalytic water splitting. The analysis of Gibbs free energy reveals that the rippled Ge9C15 monolayer possesses photogenerated electrons with a highly favorable redox potential; multiple sites throughout the material fulfill the criteria of hydrogen reduction reaction. These findings expand the application scope of 2D Group-IV materials to diverse fields such as photocatalysis, electronic devices, and nanomechanics.
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