Computational Screening of 2D Materials and Rational Design of Heterojunctions for Water Splitting Photocatalysts

光催化 分解水 异质结 材料科学 光催化分解水 单层 纳米技术 带隙 范德瓦尔斯力 GSM演进的增强数据速率 光电子学 催化作用 计算机科学 化学 分子 电信 生物化学 有机化学
作者
Xu Zhang,Zihe Zhang,Dihua Wu,Xin Zhang,Xudong Zhao,Zhen Ping Zhou
出处
期刊:Small methods [Wiley]
卷期号:2 (5) 被引量:211
标识
DOI:10.1002/smtd.201700359
摘要

Abstract As the energy crisis and environmental issues become increasingly serious, photocatalytic water splitting has received extensive attention as a promising method for the production of clean energy. However, available photocatalysts still have a long way to go. In light of the inherent advantages of 2D materials, reducing the thickness of nanosheets to monolayers is an effective strategy to achieve high photocatalytic activity. In this work, over 50 000 inorganic compounds from the Materials Project Database are screened, and 205 layered materials are obtained as candidates for water splitting photocatalysts. By exfoliating those layered materials and further examination, 36 kinds of 2D monolayers with validated stability and appropriate band edge position are achieved. To further enhance the photocatalytic activity, type‐II van der Waals heterostructures are fabricated according to structure and band edge position, and show ideal band edge positions with effective spatial separation of electrons and holes. From layered materials to 2D monolayers and then to type‐II heterojunctions, a high‐throughput computational materials design framework is proposed to gradually enhance the quantum efficiency and performance for photocatalytic water splitting. This screening algorithm exhibits excellent credibility and feasibility, and meanwhile provides substantial candidate catalysts for consequent experimental investigations on photocatalytic water splitting.

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