国产三级精品三级在线观看,国产高清无码在线观看,中文字幕日本人妻久久久免费,亚洲精品午夜无码电影网

【純計算】Int. J. Hydrogen Energy：高效利用太陽能的可見光催化二維CrSe2/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)

成果簡介

設(shè)計二維（2D）范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)（vdWH）是提高光催化性能和收集太陽能的有效方法之一。在這里，中央民族大學(xué)李傳波、張曉明等人提出了一種新型的CrSe₂/GaN-vdWH，其可作為一種用于全解水的有效光催化劑。

計算方法

基于密度泛函理論（DFT），作者利用CASTEP軟件包進行幾何優(yōu)化和能量計算，并采用超軟贗勢來研究價電子與離子的相互作用，以及使用廣義梯度近似（GGA）環(huán)境下的Perdew-Burke-Ernzerhof（PBE）泛函來描述交換關(guān)聯(lián)勢。此外，作者采用色散校正方法（DFT-D3）來處理范德華相互作用。由于GGA-PBE泛函計算的帶隙偏小，因此作者使用混合泛函（HSE06）來研究光電性質(zhì)，并將平面波基組的截止能量設(shè)置為500eV。而對于幾何優(yōu)化和電子性質(zhì)計算，作者使用Γ中心的9×9×1 Monkhorst-Pack網(wǎng)格對第一布里淵區(qū)進行采樣。

在結(jié)構(gòu)優(yōu)化之前，作者在z軸方向上施加20 ?的真空層來屏蔽周期性效應(yīng)，并且將能量、應(yīng)力、力和位移的收斂標(biāo)準(zhǔn)分別設(shè)置為10^?6 eV/atom，0.05 GPa，0.03 eV/?，和0.001?。異質(zhì)結(jié)中的元素價電子如下，即Cr的為3d⁵4s¹、Se的為4s²4p⁴、Ga的為4s²4p¹和N的為2s²2 p³。作者利用密度泛函微擾理論對聲子色散進行了計算，以評估其動力學(xué)穩(wěn)定性。

此外，為了評估CrSe₂/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)的熱穩(wěn)定性，作者還計算了3×3×1超晶格的從頭算分子動力學(xué)（AIMD）模擬，其中溫度由Nosè算法控制，整個系統(tǒng)在300K下模擬時長為6ps，并且時間步長為2fs。

結(jié)果與討論

圖1 CrSe₂/GaN vdWH的六種堆疊結(jié)構(gòu)

CrSe₂和GaN結(jié)構(gòu)是屬于P-6m2空間群的六方晶系，相應(yīng)的晶格常數(shù)分別為3.16?和3.22?。CrSe₂/GaN-vdW異質(zhì)結(jié)構(gòu)的六種可能堆疊由I、II、III、IV、V和VI表示（圖1）。通過將CrSe₂單層圍繞Se或Cr原子旋轉(zhuǎn)60°，作者構(gòu)建了六種不同的堆疊結(jié)構(gòu)。此外，作者發(fā)現(xiàn)I-VI異質(zhì)結(jié)具有幾乎相同的晶格常數(shù)（3.194–3.200?）。

圖2 聲子色散譜和AIMD模擬

如圖2（a和b）所示，CrSe₂單層具有9個聲子分支，而GaN單層具有6個聲子分支。其中CrSe₂納米片和GaN納米片具有三種聲學(xué)聲子模式：縱向聲學(xué)（LA）模式、橫向聲學(xué)（TA）模式和平面外聲學(xué)（ZA）模式，而光學(xué)聲子有三個分支：縱向光學(xué)（LO）模式、橫向光學(xué)（to）模式和面外光學(xué)（ZO）模式。其中LA和ZA聲模具有線性色散，而ZA具有二次色散。從聲子色散譜中可以看出，這六種結(jié)構(gòu)都沒有虛頻，表明它們都具有動力學(xué)穩(wěn)定性。而從頭算分子動力學(xué)模擬也用于確定vdW異質(zhì)結(jié)的熱穩(wěn)定性（圖2i）?？梢钥闯觯谄胶飧浇?，異質(zhì)結(jié)的原子在熱處理后的6ps模擬期內(nèi)輕微振動，從而證明CrSe₂/GaN-vdW異質(zhì)結(jié)構(gòu)在300K下仍能保持穩(wěn)定。

圖3 能帶結(jié)構(gòu)

作者首先研究了CrSe₂和GaN單層的電子性質(zhì)，相應(yīng)的電子能帶結(jié)構(gòu)如圖3（a和b）所示。其中CrSe₂單層是K點的直接帶隙（1.40 eV）半導(dǎo)體，而GaN單層在K點和Γ點之間具有間接帶隙（3.31eV）。此外，圖3（c–h）顯示了所有CrSe₂/GaN-vdW異質(zhì)結(jié)構(gòu)的能帶結(jié)構(gòu)，并且所有CrSe₂/GaN范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)（I-VI）在K點都具有直接帶隙。CrSe₂/GaN-vdW異質(zhì)結(jié)構(gòu)具有II型能帶排列，因為CBM來自CrSe₂（Cr-d），VBM來自GaN（N-p）。

圖4 能級結(jié)構(gòu)

如圖4所示，在CrSe₂單層和GaN單層堆疊形成CrSe₂/GaN-vdW異質(zhì)結(jié)構(gòu)之后，電子開始從GaN片流到CrSe₂片，并且直到CrSe₂層和GaN層的費米能級對齊為止，以及產(chǎn)生了內(nèi)置電場（E_int）。從圖4所示的帶狀排列來看，堆疊-I具有II型帶狀邊緣，并且光生電子和空穴分別積聚在CrSe₂和GaN片上。此外，本征電場E_int的方向是從CrSe₂單層到GaN單層，從而允許額外的空穴移動到GaN納米片，電子將轉(zhuǎn)移到CrSe₂納米片，進而限制光生空穴和電子的復(fù)合。

圖5 z方向的電荷密度差和光學(xué)吸收譜

圖5（a）描述了Z方向上的電荷密度差，其中正值（藍色區(qū)域）表示電荷累積，而負值（黃色區(qū)域）表示電荷耗盡。從圖中可以明顯看出，電荷密度重新分布發(fā)生在CrSe₂/GaN異質(zhì)結(jié)的邊界上，并且電荷從CrSe₂轉(zhuǎn)移到GaN單層。因此，電子在GaN層附近積累，同時在CrSe₂區(qū)域消耗，這導(dǎo)致界面偶極子的發(fā)展和內(nèi)置電場的發(fā)展。圖5（b）展示了CrSe₂單層、GaN單層和CrSe₂/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)的光學(xué)吸收光譜。CrSe₂單層對可見光和紫外光表現(xiàn)出非常好的吸收性能，而GaN單層在3.05至6 eV（近紫外）的能量范圍內(nèi)表現(xiàn)出顯著的光學(xué)吸收。然而，CrSe₂/GaN的光吸收性能顯著增加，這表明其太陽能利用率的提高，即從近紅外開始，并在可見光區(qū)域持續(xù)增加。因此，CrSe₂/GaN-vdW異質(zhì)結(jié)構(gòu)具有足夠的能量來促進載流子的分離和吸收光子后的躍遷。

圖6 勢能面，與其他材料的光制氫對比

此外，團隊研究了水分解過程中的HER和OER吉布斯自由能，以更好地了解CrSe₂/GaN-vdW異質(zhì)結(jié)構(gòu)的光催化性能。如6（a）所示，CrSe₂/GaN-vdW異質(zhì)結(jié)構(gòu)上HER的ΔG約為1.42eV。而如圖6（c）所示，GaN表面具有比CrSe₂側(cè)低得多的H吸附吉布斯自由能，這表明HER可以更容易在GaN表面發(fā)生。此外，OER半反應(yīng)的自由能圖如圖6（b）所示，其中*O到*OOH的轉(zhuǎn)換是速率決定步驟，其值為2.95eV。根據(jù)光生空穴的1.72eV電勢，O₂不能自發(fā)產(chǎn)生。而當(dāng)施加外部電勢時（圖6d），CrSe₂/GaN-vdW異質(zhì)結(jié)構(gòu)可以在實際的熱力學(xué)環(huán)境下對水進行光催化。

結(jié)論與展望

熱力學(xué)穩(wěn)定的CrSe₂/GaN vdWHs具有直接帶隙，并且屬于II型能帶排列，以及具有足夠的動力學(xué)氧化還原電勢來實現(xiàn)光解水。此外，本征電場加速了光生載流子的分離，并且CrSe₂/GaN-vdWH具有比CrSe₂單層更高的載流子遷移率。此外，作者發(fā)現(xiàn)vdWH在可見光和紫外區(qū)域具有高光學(xué)吸收，并且CrSe₂/GaN-vdWH具有較高的太陽能到氫能轉(zhuǎn)換效率（33.41%）。吉布斯自由能表明，在外部電場的作用下，氧化還原反應(yīng)（HER&OER）可以持續(xù)發(fā)生。因此，CrSe₂/GaN-vdW異質(zhì)結(jié)構(gòu)可以成為一種具有高太陽能轉(zhuǎn)化率的優(yōu)異水分解光催化劑。

文獻信息

Jingjing Wang et.al Two-dimensional CrSe₂/GaN heterostructures for visible-light photocatalysis with high utilization of solar energy International Journal of Hydrogen Energy 2023

https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2023.06.222

點擊閱讀原文，報名計算培訓(xùn)！

原創(chuàng)文章，作者：計算搬磚工程師，如若轉(zhuǎn)載，請注明來源華算科技，注明出處：http://www.xiubac.cn/index.php/2023/11/28/90b755c364/

国产三级精品三级在线观看,国产高清无码在线观看,中文字幕日本人妻久久久免费,亚洲精品午夜无码电影网

【純計算】Int. J. Hydrogen Energy：高效利用太陽能的可見光催化二維CrSe2/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)

相關(guān)推薦