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论文成果 | J. Phys. Chem. Lett.:第一性原理软件KSSOLV助力光解水催化剂理论设计

发布时间 : 2022-02-21阅读量 : 1307 次

 

 

 

论文信息

 

 

英文原题:Designing Direct Z-Scheme Heterojunctions Enabled by Edge-Modified Phosphorene Nanoribbons for Photocatalytic Overall Water Splitting

 

通讯作者:胡伟,中国科学技术大学;杨金龙,中国科学技术大学

作者:高蕴智,付岑峰,胡伟,杨金龙

 

扫描下方二维码可阅读英文原文:

J. Phys. Chem. Lett.  2022, 13, 1, 1–11

Publication Date: December 23, 2021

 

研究背景

 

近年来,人类面临着日益严重的能源与环境危机。氢能,作为一种清洁、高效、安全、可贮存、可运输的二次能源,普遍被人们认为是一种最理想的新世纪无污染的绿色能源。然而目前氢能的生产还主要依靠煤、天然气获取, 获取过程会加剧环境污染等问题。以水作为原料, 利用太阳能这种可再生能源来进行光解水制氢是从根本上解决能源和环境问题的理想途径之一。如何高效地进行光解水是近几十年的研究热点,光解水领域的研究进展也一直备受人们关注。

 

近日,中国科学技术大学杨金龙课题组胡伟研究团队高蕴智博士国际学术期刊JPCL上发表了论文,在论文中提供了一种基于边界修饰纳米带的通用策略以设计Z-scheme异质结水分解光催化剂值得一提的是,高博士在研究过程中,使用了课题组自主研发的第一性原理计算软件KSSOLV实现了线性响应含时密度泛函理论LR-TDDFT计算,大大加快了研发进度。KSSOLV是一款轻量化赝势平面波电子结构软件工具集,虽体系小,但计算结果精度高,运行速度超快,既可令探索量子物理化学领域的学者事半功倍,也可赋能新材料、新能源、人工智能等商业市场领域。

 

研究亮点

 

在光解水领域, 有两种类型的异质结光催化剂:type-II和Z-scheme异质结。普遍认为,直接Z-scheme异质结比Type Ⅱ异质结催化效率更高,但二者能带排列相似,仅利用基态计算难以区分,这使得直接Z-scheme光催化剂的理论设计和表征仍存在挑战。二维磷烯具有高载流子迁移率、强光吸收和优于体相黑磷的催化活性,是一种潜在的光催化材料,但其能带位置不能够实现为水分解的半反应(析氢反应HER和析氧反应OER)提供过电势的要求。利用不同基团对磷烯纳米带(PNR)进行边界修饰可以精确调控能级的带边位置,而带宽的变化可以调节带隙大小,从而能够获得理想的光催化水分解异质结催化剂的组件。高博士的研究有如下亮点:

 

(1)利用不同基团进行边界修饰引入偶极精确调控纳米带能级的带边位置;

(2)在KSSOLV软件中实现的线性响应含时密度泛函理论(LR-TDDFT)计算显示了光生电荷分布,并证明了异质结中层间激子的产生;

(3)利用Hefei-NAMD代码完成的非绝热分子动力学(NAMD)模拟表明OH/OCN-PNR异质结的层间电子-空穴复合倾向高于层内复合,表现出Z-scheme异质结的特征。

 

KSSOLV助力计算电子结构

 

文中,高博士首先利用基态计算给出了边界修饰磷烯纳米带的电子结构信息(图1)。

 

图1 光激发下(a)Z-scheme和(b)Type Ⅱ异质结的能带排列示意图,载流子迁移方向、载流子分布和反应位置均有差异。虚线圆表示激子(光生电子-空穴对)。X-PNR的(c)价带顶(VBM)与导带底(CBM)的能级位置和(d)带隙,基团X从左到右依次为OH、H、Br、Cl、F、CN和OCN。

 

然后,利用课题组自主开的KSSOLV代码来中实现的激发态LR-TDDFT计算显示了异质结中光生载流子的分离(图2a,b),证明了层间激发的存在(图2c)。

 

图2 (a)OH/OCN-PNR和(b)OH/F-PNR异质结最低激发态的电荷密度分布。黄色和蓝色分别表示电子和空穴。(c)OH/OCN-PNR、OH/F-PNR异质结和OH-PNR、F-PNR、OCN-PNR单层的激发态DOS。

 

接着,采用Hefei-NAMD代码完成的NAMD模拟研究了光生电子和空穴的超快转移,证明了OH/OCN-PNR异质结的Z-scheme特征。该研究为设计直接Z-scheme异质结光催化剂提供了一种通用策略。

 

关于KSSOLV

 

KSSOLV(Kohn-Sham Solver)是一款基于平面波基组的求解Kohn-Sham密度泛函理论的代码,利用MATLAB编程和计算,使用解释性语言。KSSOLV无需额外编译安装,支持Windows、Mac OS X和Linux系统。同时支持英伟达GPU加速,能够在个人PC端达到主流计算软件的计算速度。目前KSSOLV已经拥有了完备的功能体系和完善的服务体系。

 

 

KSSOLV不仅可以用于科研计算,还可以实现在课堂教学上演示量子力学计算,实现科教融合,降低教学门槛,提高学习效率。
 

此外,KSSOLV还可用于验证公式和算法的正确性,其中已经实现的三种加速算法,包括自适应压缩交换算子(ACE)方法、投影的C-DIIS(PC-DIIS)方法和插值可分密度近似(ISDF)方法,加速了杂化泛函、激发态电子结构计算和动力学模拟,有希望实现针对数百原子中等尺度的分子固体材料体系激发态光电性质的计算模拟。

 

关于瀚海量子

 

合肥瀚海量子科技有限公司是一家由中国科学技术大学博士组成创业团队、专业从事基于量子力学的第一性原理电子结构计算和分子动力学模拟等软件研发的服务商。业务覆盖固体分子材料模拟计算、新材料预测、智能数据分析、科研与教学活动模拟计算演示、量子力学科普教育等各个领域,是一家提供综合软件硬件适配解决方案和技术服务的高科技企业。除了高博士论文中用到的KSSOLV,瀚海量子还有多款其它第一性原理计算软件,可满足客户不同层面的需求。
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