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DFT Investigation of a Direct Z-Scheme Photocatalyst for Overall Water Splitting: Janus Ga2SSe/Bi2O3 Van Der Waals Heterojunction

异质结 材料科学 光催化 分解水 静水压力 范德瓦尔斯力 吸收(声学) 光催化分解水 可见光谱 吸收边 光电子学 直接和间接带隙 带隙 化学物理 化学 复合材料 物理 分子 催化作用 热力学 有机化学 生物化学
作者
Fan Yang,Pascal Boulet,Marie‐Christine Record
出处
期刊:Materials [Multidisciplinary Digital Publishing Institute]
卷期号:18 (7): 1648-1648 被引量:8
标识
DOI:10.3390/ma18071648
摘要

Constructing van der Waals heterojunctions with excellent properties has attracted considerable attention in the field of photocatalytic water splitting. In this study, four patterns, coined A, B, C, and D of Janus Ga2SSe/Bi2O3 van der Waals (vdW) heterojunctions with different stacking modes, were investigated using first-principles calculations. Their stability, electronic structure, and optical properties were analyzed in detail. Among these, patterns A and C heterojunctions demonstrate stable behavior and operate as direct Z-scheme photocatalysts, exhibiting band gaps of 1.83 eV and 1.62 eV. In addition, the suitable band edge positions make them effective for photocatalytic water decomposition. The built-in electric field across the heterojunction interface effectively inhibits electron-hole recombination, thereby improving the photocatalytic efficiency. The optical absorption coefficients show that patterns A and C heterojunctions exhibit higher light absorption intensity than Ga2SSe and Bi2O3 monolayers, spanning from the ultraviolet to visible range. Their corrected solar-to-hydrogen (STH) efficiencies are 13.60% and 12.08%, respectively. The application of hydrostatic pressure and biaxial tensile strain demonstrate distinct effects on photocatalytic performance: hydrostatic pressure preferentially enhances the hydrogen evolution reaction (HER), while biaxial tensile strain primarily improves the oxygen evolution reaction (OER). Furthermore, the heterojunctions exhibited enhanced optical absorption across the UV-visible spectrum with increasing hydrostatic pressure. Notably, a 1% tensile strain results in an improvement in visible light absorption efficiency. These results demonstrate that Ga2SSe/Bi2O3 heterojunctions hold great promise as direct Z-scheme photocatalysts for overall water splitting.
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