光催化技術(shù)已成為解決環(huán)境污染和全球化石燃料消耗等緊迫問題的一種可持續(xù)發(fā)展的策略。Z型異質(zhì)結(jié)由于具有寬的太陽光吸收光譜和具有強(qiáng)氧化還原能力的光生載流子，在光催化技術(shù)領(lǐng)域引起了廣泛的關(guān)注。因此，開發(fā)和設(shè)計(jì)有效的Z型光催化異質(zhì)結(jié)構(gòu)對于光催化技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展具有重要意義。
目前，通過實(shí)驗(yàn)或理論計(jì)算對異質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行篩選引起了人們的廣泛關(guān)注，但是該手段具有價格昂貴的局限性?；诖耍?strong style="margin: 0px; padding: 0px; outline: 0px; max-width: 100%; box-sizing: border-box !important; overflow-wrap: break-word !important;">新加坡國立大學(xué)沈雷和重慶大學(xué)周苗等提出了一種高效的數(shù)據(jù)驅(qū)動快速篩選范德瓦爾斯(vdW) Z型異質(zhì)結(jié)，繞過了昂貴的計(jì)算和實(shí)驗(yàn)的需求。具體而言，研究人員首先計(jì)算了18種實(shí)驗(yàn)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(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)和Anderson規(guī)則，團(tuán)隊(duì)在153個異質(zhì)結(jié)構(gòu)(由18個TMD形成)中篩選了112個具有Ⅱ型帶排列異質(zhì)結(jié)。隨后，又在這112種Ⅱ型異質(zhì)結(jié)中篩選出20種材料，并系統(tǒng)地計(jì)算了它們的HSE電子結(jié)構(gòu)、電荷轉(zhuǎn)移量和內(nèi)置界面電場。利用來自18個TMD和20個vdW異質(zhì)結(jié)的數(shù)據(jù)，開發(fā)了一種稱為Allen“材料”電負(fù)性(Δχm)的新描述符。值得注意的是，這不同于傳統(tǒng)的鮑林電負(fù)性，Δχm適用于原子，并且這個材料電負(fù)性描述符能夠從112個Ⅱ型異質(zhì)結(jié)中進(jìn)一步確定總共27個Z型異質(zhì)結(jié)，而不需要對大量的異質(zhì)結(jié)催化劑進(jìn)行昂貴的HSE計(jì)算。其中，在篩選出的27種材料中的3個已在文獻(xiàn)中報(bào)道，其余24個至今未見報(bào)道。最后，對27種候選結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，選取6種具有最小晶格失配的Z型異質(zhì)結(jié)構(gòu)(TiS2/CrSe2，TiS2/MoS2，TiS2/MoSe2，TiSe2/MoSe2，TiS2/WS2和TiSe2/WSe2)，并通過密度泛函理論進(jìn)行了驗(yàn)證。同時，光學(xué)計(jì)算表明，TiS2/CrSe2具有近紅外光吸收和較大的反應(yīng)驅(qū)動力，顯示出巨大的光催化應(yīng)用潛力。綜上，數(shù)據(jù)驅(qū)動的有效描述符的發(fā)現(xiàn)不僅有效篩選出具有應(yīng)用潛力的Z型異質(zhì)結(jié)，而且為開發(fā)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(yīng)的發(fā)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
