摘要
随着全球能源危机和环境污染问题的不断加剧，光催化分解水已成为解决这些问题的有效途径，其中半导体光催化剂则是实现该反应的关键。近年来，二维Janus材料由于其缺乏垂直镜面对称结构的独特性开始在光催化水分解制氢领域中崭露头角。最近，GeP2由于其结构稳定性优异、电子结构可调控并且带边位置相对水分解氧化还原电位良好，在光电领域和光催化水分解领域表现出优异的应用性能。然而在实验和理论计算方面，针对GeP2的Janus结构改性研究报道还鲜为人知，获得这类新型二维Janus材料的电子结构和光电性质全面而深入的研究结果在实验和理论方面都将具有重要的意义，可以预见它在光电领域和光催化领域的应用前景是非常可观的。 本论文基于密度泛函理论，采用第一性原理计算方法，深入探讨JanusGeXY（X、Y=P、As、Sb）单层电子结构和光学性质的相关特征，主要关注其作为水分解光催化剂的应用潜力。着力探讨以下三个方面: （1）提出并构建了JanusGeXY的晶体结构，通过声子谱计算和从头算分子动力学模拟（AIMD）研究了三种Janus材料GeAsP、GeSbP和GeAsSb的结构稳定性。结果表明，GeXY单层的声子色散曲线中没有出现虚频，AIMD结果显示总能量波动范围较小，其力学性能满足玻恩判据，具有动态和热力学稳定性。 （2）通过杂化泛函（HSE06）计算了GeXY单层的电子结构和光学性质。GeAsP、GeSbP和GeAsSb都是间接带隙半导体，带隙值分别为2.39、1.43和1.69eV。Janus结构的面外不对称性导致GeXY单层上下表面磷族原子获得不同数量的电子，进而形成内建电场，从而抑制光生电子和空穴的复合速率。这有助于有效分离和转移光生电子和空穴至表面，从而提高GeXY的光催化活性。此外，GeXY具有相对于光催化分解水氧化还原电位合适的带边位置，并且在可见光区表现出高达3.4×105cm-1的优良光学吸收系数。 （3）应变工程是一种调节二维材料电子结构和光学性质的有效途径。为了得到GeXY单层相对于光催化分解水更合适的带边位置,通过单轴应变来调整其带边位置，结果发现在拉伸小应变下的带边位置更合适水分解光催化要求。单轴应变的诱导可以显著提高其光学吸收系数，在可见光区光学系数高达5.5×105cm-1。GeXY单层在应变下将其光学吸收扩展到近红外光区，吸收系数仍可高达105cm-1,这进一步促进了光催化分解水的效率提高。
NETL