面向光催化水分解的二维八原子层 M2A2Z4 材料的理性设计
材料科学
2026-03-24 v3 计算物理
摘要
二维材料因其大比表面积和可调电子性质，成为光催化材料的有前景的候选者。本文系统性地设计并筛选了一系列八原子层 M2A2Z4 单层结构（M = Al, Ga, In; A = Si, Ge, Sn; Z = N, P, As），通过分子轨道计算方法构建 108 种结构，全面评估其热力学与动力学稳定性、带隙及能带对齐，以评估其光催化整体水分解的潜力。其中 8 种候选材料符合整体水分解标准，其中 Al2Si2N4 和 Al2Ge2N4 具备合适的能带位置、显著的可见光吸收、较高的电子迁移率和较高的太阳能-氢转化效率，适用于酸性 (pH=0) 和中性 (pH=7) 环境。重要的是，在 Al2Si2N4 和 Al2Ge2N4 表面引入氮空位后，可显著提升其催化活性，以实现氢还原和水氧化反应，进一步证明其作为整体水分解光催化剂的潜力。这两种材料在水溶液环境中也表现出稳健的结构稳定性。本研究为理性设计高效且稳定的二维光催化剂以实现整体水分解提供了理论依据。
引用
@article{arxiv.2507.14654,
title = {Rational Design of Two-Dimensional Octuple-Atomic-Layer M2A2Z4 for Photocatalytic Water Splitting},
author = {Shikai Chang and Dingyanyan Zhou and Yujin Ji and Mir F. Mousavi and Jian Xi and Youyong Li},
journal= {arXiv preprint arXiv:2507.14654},
year = {2026}
}