Dois

Scientific Reports volume 12, Artigo número: 20106 (2022) Citar este artigo

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Heteroestruturas bidimensionais (2D) van der Waals (vdW) feitas pela montagem vertical de duas camadas diferentes têm chamado imensa atenção no processo fotocatalítico de dissociação da água. Aqui, sugerimos uma nova heterobicamada 2D / 2D vdW consistindo de carboneto de silício (SiC) e nitreto de alumínio (AlN) como um fotocatalisador excitante para reações de conversão solar em hidrogênio usando cálculos de primeiros princípios. Notavelmente, a heteroestrutura apresenta uma orientação de banda tipo II inerente, em que os buracos fotogênicos e os elétrons estão espacialmente separados na camada SiC e na camada AlN, respectivamente. Nossos resultados indicam que a heteroestrutura SiC / AlN ocupa um intervalo de bandas adequado de 2, 97 eV que abrange os sobrepotenciais cinéticos da reação de produção de hidrogênio e da reação de produção de oxigênio. É importante ressaltar que o campo elétrico incorporado na interface criado pela transferência substancial de carga proíbe a recombinação do portador e melhora ainda mais o desempenho fotocatalítico. A heteroestrutura possui um amplo perfil de absorção variando do regime ultravioleta ao infravermelho próximo, enquanto a intensidade de absorção atinge até 2,16 × 105 cm-1. Além disso, a deformação externa modula efetivamente a absorção óptica da heteroestrutura. Este trabalho fornece uma visão intrigante sobre as características importantes da heteroestrutura SiC / AlN e fornece informações úteis sobre o projeto experimental de uma nova heteroestrutura vdW para dissociação de água acionada por energia solar com eficiência superior.

A geração de oxigênio e hidrogênio pela divisão fotocatalítica da água induzida pela energia solar é um dos métodos mais favoráveis ​​para atender às futuras demandas energéticas . No entanto, para desenvolver um sistema de fotocatálise de divisão de água de alto desempenho, é necessário um material com um intervalo de bandas apropriado, excelente separação de transportadores para atividade superficial eficaz e potenciais redox apropriados para conduzir a reação redox suavemente, bem como estabilidade fotoquímica, ambiente simpatia e viabilidade comercial3,4. Devido a estes requisitos para que os materiais semicondutores sejam fotocatalisadores eficazes e à sua importância no processo de dissociação da água, uma quantidade substancial de investigação tem sido realizada neste campo. Fujishima e Honda foram os primeiros a relatar a dissociação da água impulsionada pela energia solar sobre o TiO2 em 19725. Após seu trabalho inovador, muitos esforços foram feitos para investigar materiais fotocatalíticos eficientes e um número significativo de fotocatalisadores, incluindo polímeros conjugados6,7,8, oxihaletos9, são relatados oxinitretos10, calcogenetos metálicos e óxidos metálicos11,12,13 e assim por diante. No entanto, a aplicabilidade prática destes materiais é severamente limitada pela sua maior taxa de recombinação elétron-buraco acompanhada pelo fraco perfil de absorção no regime visível . Neste contexto, materiais bidimensionais (2D) têm estado recentemente no centro das atenções por sua capacidade na divisão fotocatalítica da água, que inclui dichalcogenetos de metais de transição em camadas (TMDs) 15, Janus TMDs 16,17, MXene18, favo de mel tipo grafeno BC3 de camada única 19, C3N420, fosforeno21, etc. Apesar de terem propriedades físicas e químicas promissoras, juntamente com uma proporção extremamente alta entre superfície e volume, os materiais 2D de monocamada exibem baixa eficiência quântica na fotocatálise devido ao menor tempo de vida do transportador devido aos transportadores fotogênicos permanecerem em uma região por intervalos de tempo limitados.

Nesse sentido, heteroestruturas de van der Waals tipo II (vdWHs) feitas pelo empilhamento de dois materiais 2D diferentes foram propostas como uma solução promissora para esse problema . Como as heterobicamadas 2D / 2D tipo II fornecem separação espacial dos elétrons fotoexcitados e buracos em duas camadas distintas de forma eficaz para inibir a recombinação de transportadores, a eficiência quântica da fotocatálise é significativamente melhorada. Além disso, essas heteroestruturas podem mediar suas estruturas de bandas eletrônicas para satisfazer os requisitos potenciais da reação de conversão solar em hidrogênio . O campo elétrico inerente facilita a separação da maioria dos portadores fotogênicos em camadas distintas da estrutura, prolongando a vida útil dos portadores fotoinduzidos. O confinamento quântico nas heteroestruturas enriquece ainda mais a correlação elétron-elétron e a energia de ligação do exciton. Além disso, os vdWHs 2D permitem que elétrons e buracos fotoexcitados criem a maior superfície de contato possível com a água, ao mesmo tempo que reduzem a migração de elétrons e buracos, diminuindo a taxa de recombinação elétron-buraco e melhorando o desempenho fotocatalítico . Além disso, os superpotenciais dinâmicos das reações de produção de oxigênio e hidrogênio são aumentados devido ao momento dipolar intrínseco dos vdWHs, o que garante ainda mais o processo fotocatalítico de dissociação da água.