光催化技術已成為解決環境污染和全球化石燃料消耗等緊迫問題的一種可持續發展的策略。Z型異質結由于具有寬的太陽光吸收光譜和具有強氧化還原能力的光生載流子，在光催化技術領域引起了廣泛的關注。因此，開發和設計有效的Z型光催化異質結構對于光催化技術的進一步發展具有重要意義。目前，通過實驗或理論計算對異質結構進行篩選引起了人們的廣泛關注，但是該手段具有價格昂貴的局限性。基于此，新加坡國立大學沈雷和重慶大學周苗等提出了一種高效的數據驅動快速篩選范德瓦爾斯(vdW) Z型異質結，繞過了昂貴的計算和實驗的需求。具體而言，研究人員首先計算了18種實驗合成的H相過渡金屬硫族化合物(TMD)的Heyd–Scuseria–Ernzerh泛函(HSE)電子結構，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電子結構和Anderson規則，團隊在153個異質結構(由18個TMD形成)中篩選了112個具有Ⅱ型帶排列異質結。隨后，又在這112種Ⅱ型異質結中篩選出20種材料，并系統地計算了它們的HSE電子結構、電荷轉移量和內置界面電場。利用來自18個TMD和20個vdW異質結的數據，開發了一種稱為Allen“材料”電負性(Δχm)的新描述符。值得注意的是，這不同于傳統的鮑林電負性，Δχm適用于原子，并且這個材料電負性描述符能夠從112個Ⅱ型異質結中進一步確定總共27個Z型異質結，而不需要對大量的異質結催化劑進行昂貴的HSE計算。其中，在篩選出的27種材料中的3個已在文獻中報道，其余24個至今未見報道。最后，對27種候選結構進行了優化，選取6種具有最小晶格失配的Z型異質結構(TiS2/CrSe2，TiS2/MoS2，TiS2/MoSe2，TiSe2/MoSe2，TiS2/WS2和TiSe2/WSe2)，并通過密度泛函理論進行了驗證。同時，光學計算表明，TiS2/CrSe2具有近紅外光吸收和較大的反應驅動力，顯示出巨大的光催化應用潛力。綜上，數據驅動的有效描述符的發現不僅有效篩選出具有應用潛力的Z型異質結，而且為開發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的發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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