二维单元素半导体材料砷烯与锑烯的光催化水分解性能研究

本研究针对光催化水分解(PWS)中高效稳定催化剂的需求，通过第一性原理计算系统分析了二维单元素半导体砷烯(Arsenene)和锑烯(Antimonene)的稳定性、带隙结构(2.23/1.80 eV)及光吸收特性(~105 cm?1)，发现其导带(CB)和价带(VB)位置可覆盖H+/H2和O2/H2O氧化还原电位，太阳能-氢转化效率达6-7%，为单组分二维材料在清洁能源领域的应用提供了新思路。

　　

随着全球能源危机加剧，开发清洁可再生能源成为当务之急。光催化水分解(Photocatalytic Water Splitting, PWS)技术利用半导体材料将太阳能直接转化为氢能，被视为最具潜力的解决方案之一。然而传统催化剂如二氧化钛(TiO₂)存在带隙过宽、光吸收效率低等问题，而新兴二维材料虽展现出独特优势，但单组分体系的研究仍存空白。针对这一挑战，湖北科技大学数学科学湖北省重点实验室（中央民族大学联合）的研究团队在《Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry》发表了突破性研究，首次系统评估了二维单元素半导体砷烯(Arsenene)和锑烯(Antimonene)的本征PWS性能。

研究采用维也纳从头算模拟软件包(VASP)进行第一性原理计算，结合广义梯度近似(GGA-PBE)方法优化电子结构，通过平面波截断能(500 eV)和严格收敛标准(能量10^?7 eV，力0.01 eV/?)确保精度。特别关注了平面平均电位(PAP)与绝对电负性(EN)两种带边计算方法差异，并计算了激子结合能、光吸收系数等关键参数。

结构稳定性
通过几何优化确认两种材料均呈现六方褶皱结构，砷烯晶格常数(3.61 ?)小于锑烯(4.12 ?)，与原子半径差异一致。声子谱分析和分子动力学模拟证明其在室温下具有优异的动力学和热力学稳定性，弹性常数计算显示其杨氏模量分别达140.21和108.50 N/m，满足实际应用需求。

电子特性
能带计算表明二者均为间接带隙半导体，砷烯带隙(2.23 eV)大于锑烯(1.80 eV)。值得注意的是，采用PAP法计算的带边位置显著高于EN法结果：砷烯的导带最小值(CBM)和价带最大值(VBM)分别为?4.14和?6.37 eV，可完全覆盖水分解所需电位(?4.44和?5.67 eV)，而EN法则低估了带边位置导致效率预测偏差。

光催化性能
激子结合能高达570-610 meV，配合10⁵ cm^?1量级的光吸收系数，使其在可见光区具有强吸收特性。太阳能-氢转化效率理论值分别达到7%和6%，远超多数传统催化剂。载流子迁移率计算显示锑烯电子迁移率(3389.80 cm²/Vs)显著高于砷烯(1593.74 cm²/Vs)，这与其更小的有效质量相关。

该研究首次揭示单层砷烯/锑烯无需构建异质结即可实现高效PWS，纠正了电负性近似法在带边预测中的系统性误差，为二维材料在能源领域的应用提供了理论依据。Sheng-an Chen等作者特别指出，PAP法相比EN法能更准确反映半导体/电解液界面的实际能级排列，这一发现对光催化剂设计准则具有重要修正意义。研究成果不仅拓展了单元素二维材料的应用场景，也为开发新型高效光催化剂提供了定量评价标准。