哈工大PCCP：CASTEP计算二维半导体电子和光学性质

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新型二维材料因其优越的光学、电学及力学性能受到关注，其中TMDs与TMC（三元硫系化合物）材料在光电催化领域展现出极大潜力。哈尔滨工业大学申艳青团队采用第一性原理方法，利用Materials Studio软件包的CASTEP模块，对TlPt2S3材料的光电性质和催化特性进行了深入研究。计算采用广义梯度近似下的PBE泛函和HSE06泛函，结合TS色散校正描述范德瓦尔斯相互作用，揭示了TlPt2S3材料的半导体特性和催化性能。

研究发现，TlPt2S3具备优秀的半导体特性，其晶体结构和能带计算显示了其作为新型二维材料的潜力。通过剥离能、声子谱和AIMD测试，证明了TlPt2S3具有高度的稳定性。功函数验证了体系的化学稳定性，进一步证实了其作为光催化剂的优良性能。

在单层与双层TlPt2S3的能带计算中，间接带隙表明电子激发需要借助声子作用，PBE + SOC方法显示带隙降低，这一结果与VBM和CBM附近的电子轨道自旋分裂有关，影响电子传输路径。HSE06泛函能够更准确地反映过渡金属化合物二维半导体材料的真实带隙情况，而双层TlPt2S3带隙降低，电子跃迁能力增强，价带在费米能级附近呈现平带，空穴迁移程度增加。

电子态密度分析显示，靠近费米能级的价带顶部主要由Pt-d和S-p轨道贡献，而导带底部分由Pt-Tl和Pt-S的反键轨道占据。价带顶部沿K-M方向的平坦特性在PDOS和差分电荷中得到证实，表明S和Tl原子表面有电荷积累，是潜在的水还原位点。

在水氧化还原势下的带边位置分析显示，单层TlPt2S3能够有效实现光催化全解水，而双层TlPt2S3主要作为光阳极材料催化OER，对HER不利。进一步计算的OER和HER反应能垒表明，在光驱动电势作用下，单层TlPt2S3在pH为7时OER效果最佳，而HER在pH为0时效果更优。

在可见光区域，单层和双层TlPt2S3的吸收系数达到105 cm-1，表明材料具有高效太阳能吸收能力。特别是在1.64~3.19eV的重要吸光区域，双层材料展现出更优良的吸收特性。

综上所述，TlPt2S3材料在光催化全解水领域展现出良好的应用前景，研究为构建新的Z型异质结提供了理论依据和实验基础。

参考文献：Yang X, Shen Y, Liu J, et al. Electronic and optical properties of a novel two-dimensional semiconductor material TlPt2S3: a first-principles study[J]. Physical Chemistry Chemical Physics, 2022, 24(13): 7642-7652.