2023年9月常州大学低碳清洁能源与安全高效燃烧科研团队孙运兰教授课题组2021级硕士研究生蔡子洲在Molecular Catalysis期刊发表了题为“Constr-ucting a B4C3/MoS2 heterojunction through interfacial coupling for enhancing o-ptical absorption and photocatalytic H2 evolution activity: A hybrid t-heoretical study”的研究论文。
地球面临的环境危机与不可再生能源的消费密切相关，因此人类已经开始寻找清洁能源的替代品。氢能由于其巨大的储量和相对无污染的燃烧产物，被认为是最有前途的二次能源。如何高效地生产氢气已成为一个热门话题。1972年，藤岛和他的同事发现二氧化钛可以通过紫外线（UV）照射催化水分子分解成氢气和氧气，此后，半导体光催化制氢技术受到了广泛的关注。虽然大多数半导体原材料的氧化还原能力和光吸收能力较差，但当这些材料进行改性后，其光催化性能将得到显著提高。
本研究采用DFT研究了一个由二硫化钼和B4C3单分子层组成的Stype异质结。对异质结的生成能、电子结构、电荷分布分析、静电势、光吸收强度以及析氢反应（HER）和析氧反应（OER）的活性进行了深入的研究。首先，对MoS2/B4C3（MSBC）和B4C3/MoS2（BCMS）异质结的两种不同构型进行了优化。然后，为了进一步阐明异质结界面上的电荷转移机制，我们计算了这两种构型的电子结构，并绘制了它们的电子密度差图（EDD）。最后，为了评价两种非均相结构的光催化制氢性能，计算了太阳能制氢的效率（STH）。主要结论如下：
(1) MSBC和BCMS异质结具有ii型能带排列。MSBC和BCMS的能带隙分别为1.525 eV和1.510 eV。此外，二硫化钼与B4C3单层接触后，由于静电势下降，在MSBC/BCMS异质结界面上产生一个从B4C3单层指向二硫化钼单层的固有电场，从而加速载流子的分离。
(2) 两种异质结都具有较强的光吸收强度（高达105级），其中MSBC异质结具有更广泛的光吸收范围。
(3) BCMS和MSBC的HER的吉布斯自由能变化分别为1.097 eV和−0.447 eV，它们对应的OER过电位分别为1.828 V和2.443 V。两者均有利于HER和OER反应的进行，但BCMS要优于MSBC。
(4) BCMS异质结在pH=为0时的STH效率最高，达到12.3%，而MSBC异质结在pH=为7时的STH效率最高，仅为1.24%。
这些结果对于利用二硫化钼作为基底材料构建异质结和提高光催化性能具有重要意义。
该论文第一作者蔡子洲是常州大学2021级能源动力专业硕士研究生，常州大学朱宝忠教授和孙运兰教授为通讯作者，常州大学是第一作者和通讯作者单位！
英文摘要：
A single photocatalyst has poor photocatalytic performance while combining two or more materials to form a heterostructure can effectively improve photocatalytic efficiency. A single-molecule layer B4C3 and MoS2 was selected to construct the heterojunctions used in visible-light hydrogen production in photocatalysts. The electronic properties and optical characteristics of the heterojunctions composed of MoS2 and B3C4 were calculated based on the density functional theory (DFT). The MoS2/B4C3 (MSBC) van der Waals (vdW) heterojunction has an indirect bandgap (Eg=1.525 V), while the B4C3/MoS2(BCMS) vdW heterostructure has a direct bandgap (Eg=1.510 V). They possess an energy band with the intrinsic type, which allows them to efficiently separate photo-generated carriers to improve the longevity of photogenerated electrons. The positions of the band edges in the heterojunctions of MSBC and BCMS can meet the requirements for decomposing water into hydrogen. In the MSBC and BCMS heterostructures, B4C3 monolayers carry negative charges while MoS2 monolayers carry positive charges, so an electric field is created at the contact surface of MSBC or BCMS heterojunction spontaneously. The BCMS and MSBC heterostructures have different solar to hydrogen (STH) efficiencies, which are 12.3% for BCMS (pH=0) and 1.24% for MSBC (pH=7). These results provide theoretical guidance for the composition of high-performance photocatalysts used in visible-light hydrogen production.
图解摘要：
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.mcat.2023.113495
撰稿：2021级硕士研究生蔡子洲 审核：朱宝忠