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南理工陸瑞鋒AM: 用于水分解的扭曲gC3N4雙層中的超快層間電荷分離、增強的可見光吸收和可調過電位

由二維范德華層狀結構形成的莫爾超晶格及其應用中引起了人們極大的關注。文獻中雖然報道了扭曲雙層系統催化性能的增強，但增強機制仍尚不明確。

南京理工大學陸瑞鋒團隊通過高精度第一性原理和時間相關的從頭算非絕熱分子動力學計算(NAMD)，探索gC₃N₄扭曲雙層中的光激發躍遷和載流子動力學行為。

計算結果表明：

1. 扭曲的gC₃N₄雙層產生層間莫爾條紋，誘導每層上VB和CB軌道的定位，改變了VB和CB軌道的對稱性，并產生更好的電荷空間分離。

2. 在扭曲gC₃N₄雙層中發生超快層間電荷轉移，這促進了電荷分離，導致電子和空穴在光激發后120 fs內將被分離到不同的層。

3. 由于增加的躍遷偶極矩(TDM)沒有嚴格的對稱性而使得扭曲的gC₃N₄雙層顯示出更好的可見光吸收性能。

另外，不均勻的VB軌道分布導致不同位點的反應活性不同，來自莫爾條紋的定位VB軌道調節了不同位點的HER和OER的過電位。扭曲的gC₃N₄雙層中HER的最低過電位為0.04 V，而OER的最低過電位為0.476 V。

Ultrafast Interlayer Charge Separation, Enhanced Visible-Light Absorption, and Tunable Overpotential in Twisted Graphitic Carbon Nitride Bilayers for Water Splitting. Advanced Materials, 2021. DOI: 10.1002/adma.202104695

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