MS楊站長公眾號除了提供Materials Studio文字教程、視頻教學、資料下載、MS培訓外，還推出了【計算+實驗】案例解讀、純計算文章解讀等欄目，旨在通過優秀論文，幫助大家貼近實戰，早發頂刊。太陽能作為世界上最清潔的能源之一，在當今日益嚴重的環境污染中會起到良好的改善作用。利用光催化實現全解水（OWS）獲得氫和氧氣，是未來能源需求的最理想的解決方案。其中OER是四電子過程，HER是雙電子過程。因此，OER比HER更複雜，通常被認為是整個OWS過程中決定反應速率的過程。MOFs、BiVO4和鈷配合物雖然在OER方面較多，但是寬帶隙依舊限制了他們對光的吸收與利用。哈爾濱工業大學周忠祥和申艷青等人對新型的硫族化合物MX（M = Au，Ag；X = S、Se、Te）的電子結構和光學性質進行計算分析，探究MX在光催化析氧反應的潛在價值。本文採用Materials Studio軟件中CASTEP量子力學模塊進行理論計算。基於廣義梯度近似（GGA）下的PEB泛函進行性質計算，採用超軟贗勢（USP）描述了價電子和原子之間的相互作用。通過HSE06進行體系的能帶計算，聲子色散的計算採用範數守恆贗勢（NCP）的有限位移法進行，採用DMol3模塊NVT系綜進行AIMD模擬。作者對MX（M = Au，Ag；X = S、Se、Te）六個硫族化合物進行聲子譜穩定性測試。發現AgSe在結構優化過程中失敗，預測它是不穩定的。並且AuS和AuSe的穩定性已經被之前的研究人員驗證，後續主要研究AuTe、AgS和AgTe。圖1. MX材料超胞結構及 AuTe、AgS和AgTe的聲子譜為了檢驗MX單層在室溫下是否穩定，進行了AIMD模擬，結果見圖。經過10000fs的模擬，單層材料仍然完整，這表明AuTe、AgS和AgTe單層是熱穩定的。功函數越大，二維材料就越穩定。MX單層的功函數為5.13-6.02eV，與GeS、SnSe和硒化亞錫（4.74–5.25 eV）等結構的功函數相當，表明MX單分子層具有化學穩定性。同時，圖2d中MX單層材料的形成能均為負的，在−3.01 eV和−3.73 eV之間變化，也可以表明這五種MX單層是熱力學穩定。圖2. AuTe、AgS和AgTe動力學測試及形成能對AuTe、AgS和AgTe電子結構進行計算，GGA-PBE與HSE06相比，低估帶隙程度較大。圖3(d)為AuTe、AgS、AgTe單層的投影態密度（PDOS），很明顯，AuTe、AgS、AgTe單層的VBM和CBM主要由Te或S原子貢獻，體現為離子化合物。進一步對電子-空穴的載流子遷移率進行計算，基礎數據見表1。AuTe和AgTe的電子載流子遷移率分別為989.71 cm2/(V·s)和586.24 cm2/(V·s)，遠高於二硫化鉬的200 cm2/(V·s)。AuTe和AgTe的空穴載流子遷移率較低，說明AuTe和AgTe都是電子傳遞半導體。AgS則是一種空穴輸運半導體，同一方向上電子和空穴遷移率的差異巨大可以有效抑制光生電子-空穴對的重組，從而有效提高光催化活性。表1. AuTe、AgS和AgTe的載流子遷移率相關參數在水的氧化還原勢下，MX單層催化劑都具備着良好的OER活性。在光吸收譜中（圖4(b)），與MX單分子膜相比，二硫化鉬在紫外光區域有較強的吸收峰。然而，可見光（VIS）和紅外光（IR）的吸收可以更好地體現它們捕獲光的能力。顯然，VIS~IR區間內MX單分子層的吸收峰大於二硫化鉬單分子層的吸收峰。這是由於MX單分子層具有較小的帶隙和相對平坦的VBM，最終展示出優異的吸光能力。圖4. MX單層催化劑在水的氧化還原電中帶邊分布情況及光吸收譜最後作者對OER自由能進行討論。黃線表示不施加電壓時的吉布斯自由能變化，藍線表示光照條件下的吉布斯自由能變化，綠線表示施加OER所需的最小電壓時吉布斯自由能變化。AuTe即使增加光照，依舊要克服2.13eV才能實現OER，析氧效果極差。AuS和AgS在光生電子的還原驅動力下克服極小的能壘即可完成OER，AuSe在光驅動下自發進行析氧反應，因此，AuS、AuSe和AgS具有成為光催化析氧材料的潛力。本文為了擴展新的光化學全解水的催化劑領域。探討出了新型硫系化合物MX中AuS、AuSe和AgS具有潛在的光催化能力。在載流子遷移率、光吸收能力及熱力學自由能判據等方面證實了此類材料具備優異的OER活性。同樣希望MX（M = Au，Ag；X = S，Se，Te）單層材料因其優異的光捕獲性能和優異的帶寬能夠廣泛應用於光電器件中。Lv, L., Shen, Y., Liu, J., Gao, X., Zhou, M., Zhang, Y., ... & Zhou, Z. (2022). MX (M= Au, Ag; X= S, Se, Te) monolayers: Promising photocatalysts for oxygen evolution reaction with excellent light capture capability. Applied Surface Science, 600, 154055.https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2022.154055為了讓科研黨儘快上手Materials Studio並發表高檔次文章，華算科技楊站長原創設計並經過多次迭代優化，推出了MS系列課程。結合案例深入淺出，帶大家從入門到進階，手把手帶你扎紮實實、快速入門DFT理論計算！學員利用課上所學已發表Angew.、AM、AEM、Nature子刊、New Journal of Chemistry、Applied Surface Science等頂刊文章。報名方式：識別下方二維碼報名，或者聯繫手機：18126387652。
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