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利用可見光光催化水分解是一種有效的可持續能源轉換和儲存方法。然而，光催化水分解OER半反應動力學緩慢，限制了光催化反應的實際應用。二維半導體被用來研究促進光催化析氧反應(OER)，并且新發現的二維半導體MA₂Z₄(M =過渡金屬，例如Mo、W；A= C、Si和Ge；Z=N、P和As)已顯示出優異的光催化OER催化劑的特性。

近日，北京航空航天大學張千帆和劉曉鵬等提出了一種自動化的高通量方法來有效篩選MA₂Z₄光催化OER催化劑，并進一步揭示理論機理。

研究人員共選擇了648種潛在的MA₂Z₄結構，包括由36種M、C/Si/Ge和N/P/As組成的β相和α相。由于M原子外層的電子排列，有73種MA₂Z₄是半導體：(n+1)s²nd²、(n+1)s¹nd⁵和ns²np²；當M原子和A原子的電負性較大而Z原子的電負性較小時，MA₂Z₄可以形成更強的MZ鍵，具有更大的帶隙和更深的VBM和CBM位置。

只有35種具有足夠強MZ鍵的MA₂Z₄具有合理的帶隙以及VBM和CBM的位置，在這35種MA₂Z₄中，α-TiGe₂N₄、α-GeGe₂N₄、β-TiSi₂N₄和β-TiGe₂N₄因其結構不穩定而被淘汰。

其余31種MA₂Z₄的自由能演化主要集中在OH→O和O→OOH，它的自由能差E_ad(O)和另外12種具有合適E_ad(O)的MA₂Z₄可以完成基本的光催化OER過程。其中，α-MoC₂N₄、β-SnGe₂N₄、β-HfSi₂N₄和β-ZrSi₂N₄被證實由于它們的激子結合能小，更容易完成載流子分離。

此外，β-HfSi₂N₄和β-ZrSi₂N₄都具有快速的載流子遷移，因此它們將是光催化OER的優良催化劑。總的來說，該項工作篩選出了用于光催化OER的優秀MA₂Z₄催化劑并闡明了其內部機制，還通過自動化高通量方法構建了用于篩選新型二維半導體中光催化OER催化劑的完整框架。

Discovery of Efficient Visible-light Driven Oxygen Evolution Photocatalysts: Automated High-Throughput Computational Screening of MA₂Z₄. Advanced Functional Materials, 2022. DOI: 10.1002/adfm.202207415

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