类型a：学术研究报告

作者及机构
本研究的通讯作者为西安理工大学的Xianbin Zhang（张先斌），第一作者为Jiameng Cao（曹佳萌），合作者包括Shihan Zhao（赵世涵）、Shuqian Wang（王书倩）和Jiahao Cui（崔佳豪）。研究成果发表于Elsevier旗下期刊《Applied Surface Science》第599卷（2022年），文章编号154012，于2022年6月20日在线发表。

学术背景
本研究属于光催化材料领域，聚焦于解决能源危机中的氢能高效生产问题。自1972年Fujishima和Honda首次在TiO₂半导体上实现光催化分解水以来，二维（2D）材料因其短载流子迁移距离、高比表面积和优异的光吸收性能成为研究热点。然而，单一半导体材料难以同时满足宽光谱吸收、高载流子分离效率和强氧化还原能力的要求。为此，研究者提出通过构建范德华（van der Waals, vdW）异质结（heterojunction）来优化性能，其中直接Z型（direct Z-scheme）异质结因其能保留组分的最高氧化还原电位而备受关注。

本研究旨在通过密度泛函理论（Density Functional Theory, DFT）预测2D WSeTe/XS₂（X = Hf, Sn, Zr）vdW异质结的光催化分解水机制，重点探讨垂直本征电场（vertical intrinsic electric field）与内建电场（built-in electric field）协同作用下的电荷转移路径，为设计高效光催化剂提供理论依据。

研究流程
1. 材料建模与结构优化
- 研究对象：WSeTe（Janus结构过渡金属硫族化合物）与XS₂（HfS₂、SnS₂、ZrS₂）单层材料。
- 方法：采用VASP软件包进行DFT计算，使用PBE-GGA泛函描述交换关联能，并引入DFT-D3校正范德华力。对WSeTe的非对称结构进行偶极矩修正。
- 异质结构建：考虑6种堆叠模式（s-se和s-te模型各3种），优化晶格参数（如WSeTe/HfS₂的晶格失配率为3.12%），计算结合能（binding energy）以确定最稳定构型。

1. 电子结构与光学性质分析

   • 能带结构：通过HSE06杂化泛函计算单层及异质结的能带，发现WSeTe为直接带隙半导体（1.89 eV），XS₂为间接带隙（HfS₂: 2.07 eV；SnS₂: 2.40 eV；ZrS₂: 1.97 eV）。
     
   • 光吸收谱：在300–800 nm波长范围内，异质结的吸收边红移至800 nm，覆盖整个可见光区，且吸收系数显著提升。
     

2. 电荷转移机制验证

   • 内建电场：通过功函数（work function）分析发现，WSeTe的Te层（4.50 eV）和Se层（5.20 eV）功函数均低于XS₂（6.02–6.52 eV），导致电子从WSeTe向XS₂转移，形成由WSeTe指向XS₂的内建电场。
     
   • 平面平均电荷密度：显示XS₂层电子积累（正δρ区域），WSeTe层电子耗尽（负δρ区域），Bader电荷分析进一步量化了转移量（如s-te模型下WSeTe/ZrS₂转移0.07 e⁻）。
     

3. 光催化性能评估

   • 直接Z型机制：异质结的能带边缘大幅交错（如WSeTe/HfS₂层间带隙仅0.57 eV），促进层间电子-空穴复合（路径①），同时抑制了不利的跨层转移（路径②和③）。
     
   • 析氢/析氧反应（HER/OER）：垂直本征电场使WSeTe/XS₂在s-se模型下的氧化还原电位差（δE）降至0.12–0.47 eV，显著提升HER过电位（如WSeTe/HfS₂达1.13 eV）。
     

主要结果
1. 异质结的稳定性通过结合能（最低-0.146 eV）和分子动力学模拟（300 K下5 ps内结构稳定）验证。
2. 直接Z型电荷转移路径的三大条件均被满足：大能带偏移、小层间带隙、高效的层间载流子复合。
3. 光吸收范围扩展至近红外区，且s-te模型因Te层功函数更低，电荷转移量更大。
4. 垂直本征电场将HER/OER的驱动力分离至不同表面，突破传统材料带隙限制。

结论与价值
本研究首次系统揭示了2D WSeTe/XS₂异质结在双电场协同下的直接Z型光催化机制，其科学价值在于：
1. 提出“垂直本征电场降低氧化还原电位差”的新策略，为窄带隙材料应用于光催化提供了理论支持。
2. 通过界面工程调控内建电场方向，实现了载流子的高效空间分离。
应用价值体现在：WSeTe/ZrS₂等异质结可设计为可见光-近红外响应的光解水催化剂，推动氢能产业化。

研究亮点
1. 创新性结合Janus材料（WSeTe）的固有偶极与vdW异质结的能带工程。
2. 发现s-se模型与s-te模型的性能差异，为实验制备提供堆叠取向指导。
3. 采用HSE06精确计算带边位置，并通过静电势差（δφ）量化HER/OER的驱动力变化。

其他价值
文中补充的堆叠模式结合能数据（表1）和AIMD模拟结果（图3）为后续研究提供了重要参考。此外，作者指出SnS₂的低毒性和抗光腐蚀特性可提升催化剂的实用性。