Efficient photocatalytic hydrogen evolution and CO2 reduction by HfSe2/GaAs3 and ZrSe2/GaAs3 heterostructures with direct Z-schemes

异质结 光催化 材料科学 单层 带隙 制氢 光催化分解水 光电子学 纳米技术 分解水 化学 催化作用 生物化学 有机化学
作者
Xue-Qing Wan,Chuan‐Lu Yang,Meishan Wang,Xiano-Guang Ma
出处
期刊:Physical Chemistry Chemical Physics [The Royal Society of Chemistry]
卷期号:25 (12): 8861-8870 被引量:18
标识
DOI:10.1039/d2cp05902a
摘要

The elaborate configuration of the heterostructure is crucial and challenging to achieve high solar-to-hydrogen efficiency or CO2 reduction efficiency . Here, we predict two heterostructures composed of HfSe2, ZrSe2, and GaAs3 monolayers. The maximum of 42.71%/35.12% with the heterostructures can be reached with the perfect match between the bandgap and band edges. The configurations of the heterostructures are discovered from 12 possible stacking types of the three monolayers. The formation energy, potentials of band edges, carrier mobilities, and optical absorption were used to identify the feasibility of the CO2 reduction reaction (CO2RR), the hydrogen evolution reaction (HER), and the oxygen evolution reaction (OER). The and based on overpotentials and bandgaps and the Gibbs free energies (ΔGs) are evaluated to quantificationally access the photocatalytic performance of the constructed heterostructures. The results demonstrate that high can be obtained for the solar photocatalytic Z-schemes with the HfSe2/GaAs3 and ZrSe2/GaAs3 heterostructures, and these values can be further enhanced through strain engineering. Moreover, small changes in ΔGs were observed for HER, OER, and CO2RR. Therefore, the two heterostructures have excellent performance in photocatalytic hydrogen evolution and CO2 reduction. The results of the electronic properties revealed that the delicate matching of the projected band edges of the monolayers in the heterostructures is responsible for the high photocatalytic performance.
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