Electronic structure of aqueous two-dimensional photocatalyst

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作者
Dawei Kang,Xianghua Kong,Vincent Michaud-Rioux,Ying‐Chih Chen,Zetian Mi,Hong Yu Guo
出处
期刊:npj computational materials [Nature Portfolio]
卷期号:7 (1) 被引量:16
标识
DOI:10.1038/s41524-021-00516-6
摘要

Abstract The electronic structure, in particular the band edge position, of photocatalyst in presence of water is critical for photocatalytic water splitting. We propose a direct and systematic density functional theory (DFT) scheme to quantitatively predict band edge shifts and their microscopic origins for aqueous 2D photocatalyst, where thousands of atoms or more are able to be involved. This scheme is indispensable to correctly calculate the electronic structure of 2D photocatalyst in the presence of water, which is demonstrated in aqueous MoS2, GaS, InSe, GaSe and InS. It is found that the band edge of 2D photocatalysts are not rigidly shifted due to water as reported in previous studies of aqueous systems. Specifically, the CBM shift is quantitatively explained by geometric deformation, water dipole and charge redistribution effect while the fourth effect, i.e., interfacial chemical contact, is revealed in the VBM shift. Moreover, the revealed upshift of CBM in aqueous MoS2should thermodynamically help carriers to participate in hydrogen evolution reaction (HER), which underpin the reported experimental findings that MoS2is an efficient HER photocatalyst. Our work paves the way to design 2D materials in general as low-cost and high-efficiency photocatalysts.
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