采用密度泛函理论对 Sc8S12 和 Sm8S12 作为水分解光催化剂的行为进行了研究

《Computational Condensed Matter》：Density functional theory study of Sc8S12 and Sm8S12 as photocatalysts for water splitting

　　

阿卜杜萨拉姆·艾哈迈德·卡武 | 阿卜杜萨拉姆·巴拉拉贝·苏莱曼 | 萨比乌·赛义德·阿卜杜拉希 | 阿布杜·巴尔德 | 马赞·R·阿尔拉希利 | 亚哈亚·萨阿杜·伊塔斯

尼日利亚贡贝州贡贝卡谢雷联邦大学物理系，邮编771103

摘要

本文利用第一性原理理论对钪硫化物（Sc₈S₁₂）和钐硫化物（Sm₈S₁₂）进行了研究，以评估它们作为光催化水分解材料的适用性。我们使用维也纳从头算模拟包（VASP）研究了这两种材料的力学、动态、电子和光学性质以及弹性各向异性。实验结果表明，这两种稀土硫属化合物均表现出结构和热力学稳定性，表现为完全没有虚频声子模式。通过PBE、DFT + U、HSE06和MBJ泛函进行的电子结构计算表明，Sc₈S₁₂和Sm₈S₁₂均具有半导体特性，其带隙分别为1.30 eV（PBE）、1.33 eV（DFT + U）、1.60 eV（HSE06）、1.60 eV（PBE）、0.780 eV（PBE）、0.75 eV（DFT + U）、1.30 eV（HSE06）和1.30 eV（MBJ）。为准确描述其光学响应，我们采用了GW + BSE方法，计算得出Sc₈S₁₂的吸收边缘为2.24 eV，Sm₈S₁₂的吸收边缘为2.20 eV，证实了它们在可见光区域具有强吸收能力。弹性常数揭示了材料的力学稳定性，而各向异性的光谱则反映了这些化合物的独特性质。综合这些性质表明，这两种材料都非常适合用于可见光驱动的光催化应用。然而，这些预测需要通过实验合成和表征来验证，以确定它们的稳定性和功能性能。

引言

随着人口增长、工业扩张和技术的发展，对能源的需求持续增加，这对地球上的现有能源资源造成了巨大压力[1]。国际能源机构证实，全球电力需求持续上升，给现有能源系统带来了重大压力[2][3]。化石燃料几十年来一直是主要的能源来源，最新数据显示它们仍占全球能源结构的约82%[4]。光催化已成为利用太阳能的重要方法[4]。在将光转化为化学能的过程中，光催化剂可以支持诸如水分解[5]、污染物降解以及太阳能燃料生成[6][7]等过程。任何光催化剂的有效性取决于多种因素，包括材料的结构稳定性[8][9][10][11]、电子构型[12][13]，以及其吸收和利用入射光的能力[14]。尽管TiO₂等材料很受欢迎，但由于其宽带隙、较差的可见光吸收能力和快速的电子-空穴复合现象，其性能受到严重限制[7]。因此，寻找具有改进的光学和电子特性的新半导体变得至关重要[8]。参考文献[15]指出，结构稳定性、电子能带排列和缺陷工程在决定新兴材料的光催化效率方面起着重要作用；其他研究人员[16]也强调了能带边缘位置和光学吸收在定制可见光光催化材料中的重要性[16]。电子结构与晶格动力学之间的相互作用对于实现复合硫属材料的机械稳定性和高效电荷传输至关重要[17]。第一性原理计算的进步显著加速了新型光催化材料的发现和优化[18]，为低维和多元硫属材料的研究提供了更广泛的基础[19]。最近，这些材料因其可调节的电子和光学性质而受到关注，这些性质可以通过组成、应变和异质结构形成来调控[20]。这些材料具有合适的带隙和能带边缘排列，满足光催化氧化还原反应的热力学要求，使其成为下一代能源应用的理想候选者[20]。这些情况激发了我们目前对Sc₈S₁₂和Sm₈S₁₂化合物作为潜在光催化材料的研究。稀土化合物因其独特的电子性质而具有广泛的应用前景。它们部分填充的f轨道局域态对吸收、电荷转移和能带带隙调控具有显著影响[21]。我们利用密度泛函理论（DFT）和先进的交换相关泛函系统地分析了这些材料的结构、力学、电子和光学性质，特别关注了它们的带隙特性、能带边缘位置和稳定性标准，这些因素对于评估它们在光催化应用中的适用性至关重要。

章节摘录

方法

本研究基于密度泛函理论（DFT）进行，该理论在维也纳从头算模拟包（VASP）中实现[23]。VASP采用了Kohn–Sham单电子自旋轨道赝势展开[24]，以求解自洽的Kohn–Sham（KS）薛定谔方程[25]。Kohn–Sham DFT是用于计算材料和分子基态电子结构的可靠方法。

结构性质

单元格的结构对于理解固体材料的性质至关重要，精确的晶格参数定义了晶体的几何形状和原子间距，这直接关系到轨道重叠和能带 dispersion。所研究的稀土金属Sc₈S₁₂和Sm₈S₁₂的结构属于正交晶系（pnma空间群），如图1(a & b)所示。

结论

本研究通过第一性原理计算研究了Sc₈S₁₂和Sm₈S₁₂的结构、力学、电子、光学和光催化性质。这两种化合物均结晶为稳定的正交相，其力学和动态稳定性通过弹性常数及声子色散分析得到证实。使用PBE、DFT + U、MBJ和HSE06泛函进行的电子结构计算表明，这两种材料均为半导体，带隙范围为1.30 – 1.60 eV。

生成式AI声明

在撰写本文过程中，作者使用了ChatGPT来提高某些句子的清晰度并检查表达的一致性。使用该工具后，作者审查并编辑了所有建议，并对最终论文的内容负全责。

CRediT作者贡献声明

阿卜杜萨拉姆·艾哈迈德·卡武：概念化、数据整理、形式分析、研究方法、初稿撰写。阿卜杜萨拉姆·巴拉拉贝·苏莱曼：项目管理、监督。萨比乌·赛义德·阿卜杜拉希：项目管理、监督。阿布杜·巴尔德：数据整理、形式分析、项目管理。马赞·R·阿尔拉希利：写作、审稿与编辑。亚哈亚·萨阿杜·伊塔斯：写作、审稿与编辑。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能会影响本文的研究结果。

致谢

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