Origin of Enhanced Photocatalytic Activity in Direct Band Gap g-C3N4 Nanoribbons with Tunable Electronic Properties for Water-Splitting Reaction: A First-Principles Study

带隙 电子结构 材料科学 密度泛函理论 分解水 化学物理 光催化 单层 直接和间接带隙 凝聚态物理 电子能带结构 纳米技术 化学 计算化学 光电子学 物理 催化作用 生物化学
作者
Anwesh Kumar,Hannu‐Pekka Komsa,Diksha Praveen Pathak,M.S. Balathanigaimani,Amit Sinha,J. Karthikeyan
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry C [American Chemical Society]
卷期号:126 (46): 19627-19636 被引量:8
标识
DOI:10.1021/acs.jpcc.2c03679
摘要

In this work, we employ density functional theory (DFT) to investigate the edge atomic structures and atomic boundaries in graphitic carbon nitride (g-C3N4) nanoribbons to explore their role on structural stability and electronic and photocatalytic properties. Interestingly, the nanoribbon structures with mirror twin boundaries (MTBs) have higher structural stability than the conventional nanoribbon structures due to the C–C bond formations at the MTB region. Irrespective of their edge atomic structure, the curved and corrugated nanoribbons with direct band gap are thermodynamically more stable than the planar nanoribbons with indirect band gap. In addition, the distinct electronic structures of nanoribbons with and without MTB are calculated to understand their influence on the band gap and band edge positions of the nanoribbons. Very importantly, unlike the other nanostructures of g-C3N4, nanoribbons are shown to possess unique electronic structures that facilitate the tunable spatial separation of valence and conduction band states. This enhances the lifetime of excited charge carriers in nanoribbon morphology. To garner deep insights into the photocatalytic properties of the g-C3N4 monolayer and nanoribbons, the Gibbs free energies (ΔG) of hydrogen and oxygen evolution reaction intermediates are studied to identify the active sites. To this end, our DFT studies predict enhanced photocatalytic activity of g-C3N4 nanoribbons over the monolayer while providing new insights into the geometry, electronic structure, and photocatalytic properties of the nanoribbons, guiding the plausible development of g-C3N4 nanoribbons.
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