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NUS/重大ACS Catalysis：數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)快速篩選TMD基Z型光催化劑

光催化技術(shù)已成為解決環(huán)境污染和全球化石燃料消耗等緊迫問題的一種可持續(xù)發(fā)展的策略。Z型異質(zhì)結(jié)由于具有寬的太陽光吸收光譜和具有強(qiáng)氧化還原能力的光生載流子，在光催化技術(shù)領(lǐng)域引起了廣泛的關(guān)注。因此，開發(fā)和設(shè)計(jì)有效的Z型光催化異質(zhì)結(jié)構(gòu)對(duì)于光催化技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展具有重要意義。

目前，通過實(shí)驗(yàn)或理論計(jì)算對(duì)異質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行篩選引起了人們的廣泛關(guān)注，但是該手段具有價(jià)格昂貴的局限性?；诖耍?strong>新加坡國立大學(xué)沈雷和重慶大學(xué)周苗等提出了一種高效的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)快速篩選范德瓦爾斯(vdW) Z型異質(zhì)結(jié)，繞過了昂貴的計(jì)算和實(shí)驗(yàn)的需求。

具體而言，研究人員首先計(jì)算了18種實(shí)驗(yàn)合成的H相過渡金屬硫族化合物(TMD)的Heyd–Scuseria–Ernzerh泛函(HSE)電子結(jié)構(gòu)，即HfTe₂，MoS₂，TiSe₂，WSe₂，ZrSe₂，CrSe₂，HfSe₂，TiTe₂，WTe₂，ZrS₂，CrTe₂，HfS₂，TiS₂，WS₂，CrS₂，MoSe₂，MoTe₂和ZrTe₂。

利用它們的HSE電子結(jié)構(gòu)和Anderson規(guī)則，團(tuán)隊(duì)在153個(gè)異質(zhì)結(jié)構(gòu)(由18個(gè)TMD形成)中篩選了112個(gè)具有Ⅱ型帶排列異質(zhì)結(jié)。隨后，又在這112種Ⅱ型異質(zhì)結(jié)中篩選出20種材料，并系統(tǒng)地計(jì)算了它們的HSE電子結(jié)構(gòu)、電荷轉(zhuǎn)移量和內(nèi)置界面電場。利用來自18個(gè)TMD和20個(gè)vdW異質(zhì)結(jié)的數(shù)據(jù)，開發(fā)了一種稱為Allen“材料”電負(fù)性(Δχ_m)的新描述符。

值得注意的是，這不同于傳統(tǒng)的鮑林電負(fù)性，Δχ_m適用于原子，并且這個(gè)材料電負(fù)性描述符能夠從112個(gè)Ⅱ型異質(zhì)結(jié)中進(jìn)一步確定總共27個(gè)Z型異質(zhì)結(jié)，而不需要對(duì)大量的異質(zhì)結(jié)催化劑進(jìn)行昂貴的HSE計(jì)算。

其中，在篩選出的27種材料中的3個(gè)已在文獻(xiàn)中報(bào)道，其余24個(gè)至今未見報(bào)道。最后，對(duì)27種候選結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，選取6種具有最小晶格失配的Z型異質(zhì)結(jié)構(gòu)(TiS₂/CrSe₂，TiS₂/MoS₂，TiS₂/MoSe₂，TiSe₂/MoSe₂，TiS₂/WS₂和TiSe₂/WSe₂)，并通過密度泛函理論進(jìn)行了驗(yàn)證。

同時(shí)，光學(xué)計(jì)算表明，TiS₂/CrSe₂具有近紅外光吸收和較大的反應(yīng)驅(qū)動(dòng)力，顯示出巨大的光催化應(yīng)用潛力。綜上，數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的有效描述符的發(fā)現(xiàn)不僅有效篩選出具有應(yīng)用潛力的Z型異質(zhì)結(jié)，而且為開發(fā)高效的催化劑以加速太陽能制氫、CO₂還原等重要光催化反應(yīng)的發(fā)展提供了簡單而有效的手段。

Data-Driven Discovery of Transition Metal Dichalcogenide-Based Z-Scheme Photocatalytic Heterostructures. ACS Catalysis, 2023. DOI: 10.1021/acscatal.3c02315

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