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Enhanced water splitting photocatalyst enabled by two-dimensional GaP/GaAs van der Waals heterostructure

异质结 带隙 材料科学 范德瓦尔斯力 半导体 光电子学 分解水 光催化 光催化分解水 直接和间接带隙 化学 生物化学 有机化学 分子 催化作用
作者
Meiqiu Xie,Li Yang,Xuhai Liu,Xing’ao Li
出处
期刊:Applied Surface Science [Elsevier]
卷期号:591: 153198-153198 被引量:16
标识
DOI:10.1016/j.apsusc.2022.153198
摘要

Two-dimensional (2D) photocatalysts are promising alternatives to traditional 3D metal oxides. However, it is still a great challenge to surmount the limitation restricted by the 2D photocatalytic bandgap together with the band edge position. Herein, we have newly designed 2D GaP/GaAs van der Waals (vdW) heterostructure-based photocatalyst for water splitting and examined the corresponding operating mechanism. Firstly, the tunable electronic, higher carrier mobilities, and excellent optical properties of XP/XAs (X = Ga, In) vdW heterostructures and single-layer counterparts are introduced based on density functional theory. Specially, the GaP/GaAs vdW heterostructure with direct bandgap exhibits more noticeable optical absorption than the single-layer counterparts. Secondly, intrinsic electric field can be obtained in GaP/GaAs vdW heterostructure and the excited electrons and holes of GaP/GaAs vdW heterostructure are present in opposite layers, demonstrating that the GaP/GaAs vdW heterostructure can spontaneously generate the electron-hole separators. Thirdly, the thermodynamic stability of GaP/GaAs vdW heterostructure has been confirmed, which shows high potential for experimental implementation. Finally, due to the superior characteristics, GaP/GaAs vdW heterostructure has been constructed for the photocatalytic water-splitting. Importantly, the photoexcited electrons of GaP/GaAs vdW heterostructure can spontaneously induce hydrogen half reaction without sacrificial reagents. Moreover, the driving force in oxidation half reaction of GaP/GaAs vdW heterostructure can be greatly boosted under light illumination. Our constructed 2D-vdW-semiconductors-based devices provide a promising strategy to achieve high efficiency water-splitting photocatalyst.

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