Janus结构Ce/ThXY (X, Y = S, Se)电子不对称性促进酸性环境下光催化析氧反应(OER)研究

本研究针对f电子基二维材料在光催化水分解领域的潜力未被充分探索的问题，通过第一性原理密度泛函理论(DFT)计算，揭示了1T相钍基Janus硫族化合物在能带位置、光吸收和反应动力学方面的优势，特别是ThSTe和ThSeTe在宽pH范围内对析氧反应(OER)表现出高活性，为可再生能源材料设计提供了新方向。

　　

二维(2D)材料因其卓越的电子和结构特性，成为光催化水分解领域的有力候选者。尽管过渡金属硫族化合物(TMDs)已被广泛研究，但基于f电子的硫族化合物潜力仍待挖掘。本研究通过第一性原理密度泛函理论(DFT)计算，探究了单层钍(Th)和铈(Ce)基Janus硫族化合物MXY (M = Th, Ce; X, Y = S, Se, Te)的结构稳定性、电子性质和光催化性能。研究发现，1T相是最热力学稳定的构型，因为f轨道倾向于偏爱O_h对称性。能带结构分析表明，1T相钍基化合物拥有适用于全水分解的导带和价带位置，而铈基材料因较低的导带最小值而存在局限。光学吸收谱显示，ThSe₂、ThSSe、ThTe₂、ThSTe和ThSeTe具有强烈的可见光吸收能力，使其成为潜在的光催化剂。此外，对析氢反应(HER)和析氧反应(OER)中间体的自由能分析发现，ThSTe和ThSeTe在宽pH范围内对OER具有高活性。这些发现为设计基于f电子的可再生能源材料提供了见解，并凸显了其作为下一代光催化剂的潜力。