High Photocatalytic Activity of Heptazine-Based g-C3N4/SnS2 Heterojunction and Its Origin: Insights from Hybrid DFT

光催化 异质结 带材弯曲 材料科学 密度泛函理论 价(化学) 价带 激发态 电子 光电子学 化学 光化学 带隙 计算化学 催化作用 原子物理学 物理 有机化学 量子力学 生物化学
作者
Jianjun Liu,Enda Hua
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry C [American Chemical Society]
卷期号:121 (46): 25827-25835 被引量:172
标识
DOI:10.1021/acs.jpcc.7b07914
摘要

The g-C3N4-based composite structure exhibits excellent photocatalytic performance. However, their photogenerated carrier transfer and photocatalytic reaction mechanism were unclear. In this study, a 2D/2D g-C3N4/SnS2 heterojunction was systematically investigated by a hybrid density functional approach. Results indicated that the g-C3N4/SnS2 heterojunction was a staggered band alignment structure, and band bending occurred at the interface. A built-in electric field from the g-C3N4 surface to the SnS2 surface was formed by interfacial interaction. During visible-light irradiation, excited electrons in the conduction band maximum (CBM) of SnS2 easily recombined with the holes in the VBM of g-C3N4 under the electric field force. As a result, photogenerated electrons and holes naturally accumulate at the CBM of g-C3N4 and the valence band maximum (VBM) of SnS2, respectively. The effective separation of holes and electrons in space was advantageous to them participating in catalytic reactions on a different surface. Consequently, a direct Z-scheme photocatalytic reaction mechanism was established to enhance the photocatalytic activity of the g-C3N4/SnS2 heterojunction. Our results not only reveal the photocatalytic reaction mechanism of the g-C3N4/SnS2 heterojunction but also provide a theoretical guidance for the design and preparation of novel g-C3N4-based composite structures.
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