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利用可見光光催化水分解是一種有效的可持續(xù)能源轉(zhuǎn)換和儲存方法。然而，光催化水分解OER半反應(yīng)動(dòng)力學(xué)緩慢，限制了光催化反應(yīng)的實(shí)際應(yīng)用。二維半導(dǎo)體被用來研究促進(jìn)光催化析氧反應(yīng)(OER)，并且新發(fā)現(xiàn)的二維半導(dǎo)體MA₂Z₄(M =過渡金屬，例如Mo、W；A= C、Si和Ge；Z=N、P和As)已顯示出優(yōu)異的光催化OER催化劑的特性。

近日，北京航空航天大學(xué)張千帆和劉曉鵬等提出了一種自動(dòng)化的高通量方法來有效篩選MA₂Z₄光催化OER催化劑，并進(jìn)一步揭示理論機(jī)理。

研究人員共選擇了648種潛在的MA₂Z₄結(jié)構(gòu)，包括由36種M、C/Si/Ge和N/P/As組成的β相和α相。由于M原子外層的電子排列，有73種MA₂Z₄是半導(dǎo)體：(n+1)s²nd²、(n+1)s¹nd⁵和ns²np²；當(dāng)M原子和A原子的電負(fù)性較大而Z原子的電負(fù)性較小時(shí)，MA₂Z₄可以形成更強(qiáng)的MZ鍵，具有更大的帶隙和更深的VBM和CBM位置。

只有35種具有足夠強(qiáng)MZ鍵的MA₂Z₄具有合理的帶隙以及VBM和CBM的位置，在這35種MA₂Z₄中，α-TiGe₂N₄、α-GeGe₂N₄、β-TiSi₂N₄和β-TiGe₂N₄因其結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定而被淘汰。

其余31種MA₂Z₄的自由能演化主要集中在OH→O和O→OOH，它的自由能差E_ad(O)和另外12種具有合適E_ad(O)的MA₂Z₄可以完成基本的光催化OER過程。其中，α-MoC₂N₄、β-SnGe₂N₄、β-HfSi₂N₄和β-ZrSi₂N₄被證實(shí)由于它們的激子結(jié)合能小，更容易完成載流子分離。

此外，β-HfSi₂N₄和β-ZrSi₂N₄都具有快速的載流子遷移，因此它們將是光催化OER的優(yōu)良催化劑。總的來說，該項(xiàng)工作篩選出了用于光催化OER的優(yōu)秀MA₂Z₄催化劑并闡明了其內(nèi)部機(jī)制，還通過自動(dòng)化高通量方法構(gòu)建了用于篩選新型二維半導(dǎo)體中光催化OER催化劑的完整框架。

Discovery of Efficient Visible-light Driven Oxygen Evolution Photocatalysts: Automated High-Throughput Computational Screening of MA₂Z₄. Advanced Functional Materials, 2022. DOI: 10.1002/adfm.202207415

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