李亚飞：PdSeO3单层膜 一种无需使用牺牲剂和助催化剂

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1972年由日本东京大学Fujishima 和Honda 两位教授首次报道了TiO2 单晶电极光催化分解水从而产生氢气这一现象，这一开创性工作吸引了各国科学家的广泛兴趣。 在光催化剂的辅助下，利用太阳光照将水分解为氢气和氧气已经成为将太阳能转化为化学能的一种具有极具潜力的方法。
一般而言，用于分解水的高效光催化剂必须满足几个标准：首先，光催化剂的能带隙需大于水分解的自由能（1.23 eV），而为了有效地利用太阳能，其带隙需小于3.0 eV；其次，光生载流子需要快速转移、有效分离，以避免表面电荷重新复合；更重要的是光催化剂有适当的带边能级位置，即导带最低点（CBM）需高于H+/H2的还原电位，价带最高点（VBM）需低于O2/H2O的氧化电位。
近年来兴起的二维（2D）材料，由于其优异的电子学、光学和力学等性质而被广泛关注。对于光催化领域，2D材料可以为光化学反应提供超高的表面积并能最大程度地减小载流子的迁移距离，因此带隙处于1.5~3.0 eV之间的2D半导体材料是制备分解水光催化剂理想的候选材料。值得注意的是，水分解中的氢还原半反应涉及两电子转移过程，而水氧化半反应涉及一个更复杂的四电子转移过程，因此，通常需要一个相当大的过电位来确保这两个反应能够自发进行。尽管一些二维材料的带边位置能够满足光解水的条件，但光生电子和空穴无法提供足够的驱动力来实现全分解水。通常，加入牺牲剂可以抑制水氧化半反应，但对于实际应用该方法很不可取；当前实验上研究的很多2D光催化剂需要负载助催化剂才可以实现全分解水。综上，寻找一种无需使用牺牲剂和助催化剂来直接分解纯水的高效2D光催化剂至关重要，同时也是一项重大挑战。

近日，南京师范大学的李亚飞教授和波多黎各大学的陈中方教授等人利用密度泛函理论（DFT）计算系统地研究了PbSeO3的结构、电子学和光学性能，其研究结果表明2D PbSeO3单层膜是一种极有前景的全光解水催化剂。由于块体PbSeO3材料具有较小的剥离能（~0.42 J/m2），实验上有望通过简单的机械剥离方法得到PbSeO3单层膜。PbSeO3单层膜是一种具有间接带隙的半导体材料，不仅带隙值适当（2.84 eV），而且其价带和导带恰好囊括水的氧化还原电位。值得特别指出的是，在光生电子和空穴单独提供的电位下，水氧化和氢还原半反应都可以在PbSeO3单层膜上不同的活性位点自发进行。另外，由于PbSeO3单层膜在太阳光谱中的可见光区和紫外区具有明显的光吸收，该催化剂效率也应该是很高的。 因此，作为一种高效光催化剂，在不添加牺牲剂和助催化剂的情况下，PbSeO3单层膜可以将纯水按照2:1的化学计量比分解为H2和O2。相关成果以题为“PbSeO3 Monolayer: A Promising Inorganic 2D Photocatalyst for Direct Overall Water Splitting Without Using Sacrificial Reagents and Cocatalysts”发表在JACS上。

通过系统的DFT计算，本文发现2D PbSeO3单层膜是一种极具前景的光催化材料。该单层膜具有良好的热力学和动力学稳定性，可以通过剥离块体的简单方法制备。该研究结果有助于进一步探索PbSeO3单层膜和相关2D材料在光催化中的应用。由于实验可行性高，我们有理由相信在不久的将来可以制备出PbSeO3单层膜并被用于光催化全分解水。

文献连接：PbSeO3 Monolayer: A Promising Inorganic 2D Photocatalyst for Direct Overall Water Splitting Without Using Sacrificial Reagents and Cocatalysts（JACS, 2018, DOI: 10.1021/jacs.8b07855）