A two-dimensional vertical van der Waals heterostructure based on g-GaN and Mg(OH)2 used as a promising photocatalyst for water splitting: A first-principles calculation

异质结 分解水 范德瓦尔斯力 光催化 半导体 材料科学 电子能带结构 电场 化学 光催化分解水 光电子学 催化作用 凝聚态物理 分子 物理 量子力学 生物化学 有机化学
作者
Kai Ren,Jin Yu,Wencheng Tang
出处
期刊:Journal of Applied Physics [American Institute of Physics]
卷期号:126 (6) 被引量:70
标识
DOI:10.1063/1.5099125
摘要

In this study, based on first-principles calculation, the structural, electronic, interfacial, and optical properties of two-dimensional (2D) semiconductor vertical heterostructure constructed by g-GaN and Mg(OH)2 are addressed. The g-GaN/Mg(OH)2 heterostructure is discovered to be formed by van der Waals (vdW) forces and possesses a type-II band structure which can promote the separation of photogenerated electron–holes constantly. At the same time, the calculated band edge positions of the heterostructure are decent to induce the oxidation and reduction reactions for water splitting at pH 0. Gibb's free energy change in the redox reaction for the g-GaN/Mg(OH)2 vdW heterostructure is further investigated that the heterostructure can act as a suitable catalyst in hydrogen evolution reaction and oxygen evolution reaction for water splitting. The charge-density difference and the potential drop are calculated across the interface of the g-GaN/Mg(OH)2 vdW heterostructure, and the potential drop can induce a large built-in electric field, which is also a boost to prevent the recombination of the photogenerated charges. Finally, the applied external biaxial strain is studied that it can improve the optical absorption performance of the g-GaN/Mg(OH)2 vdW heterostructure. This study provides a possibility of method to design the 2D vdW heterostructure as a photocatalyst to decompose water.
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