Intrinsic Electric Fields in Two-dimensional Materials Boost the Solar-to-Hydrogen Efficiency for Photocatalytic Water Splitting

光催化 分解水 材料科学 电场 光催化分解水 红外线的 铁电性 可见光谱 吸收(声学) 化学物理 光电子学 光学 化学 物理 电介质 复合材料 催化作用 量子力学 有机化学 生物化学
作者
Cen‐Feng Fu,Jiuyu Sun,Qiquan Luo,Xingxing Li,Wei Hu,Jinlong Yang
出处
期刊:Nano Letters [American Chemical Society]
卷期号:18 (10): 6312-6317 被引量:711
标识
DOI:10.1021/acs.nanolett.8b02561
摘要

Two-dimensional (2D) materials with the vertical intrinsic electric fields show great promise in inhibiting the recombination of photogenerated carriers and widening light absorption region for the photocatalytic applications. For the first time, we investigated the potential feasibility of the experimentally attainable 2D M2X3 (M = Al, Ga, In; X = S, Se, Te) family featuring out-of-plane ferroelectricity used in photocatalytic water splitting. By using first-principles calculations, all the nine members of 2D M2X3 are verified to be available photocatalysts for overall water splitting. The predicted solar-to-hydrogen efficiency of Al2Te3, Ga2Se3, Ga2Te3, In2S3, In2Se3, and In2Te3 are larger than 10%. Excitingly, In2Te3 is manifested to be an infrared-light driven photocatalyst, and its solar-to-hydrogen efficiency limit using the full solar spectrum even reaches up to 32.1%, which breaks the conventional theoretical efficiency limit.
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