侯清玉教授团队在(Mg, C)掺杂和Zn空位对ZnO(0 0 1)单层载流子活性、寿命、可见光效应及氧化-还原反应影响方面有新发现

近日，我校侯清玉教授团队在单层ZnO(0 0 1)光催化性能研究中取得新进展，研究发现单层Zn₃₄C_iC_OMgO₃₅ (C_i¹⁻,C_O²⁻)更适合被用作光催化剂。

侯清玉教授团队（第二排左三为侯清玉教授，第三排左二为文章第一作者其木德）

ZnO是一种宽禁带半导体材料，低温时带隙宽度为3.40 eV，激子束缚能为60 meV。ZnO已广泛应用于激光、太阳能电池、传感器、光电器件和光催化等领域。近年来由于CO₂的过度排放，导致全球温室效应加剧，因此各国都在寻找更清洁的能源从而减少CO₂的排放。由于ZnO具有较高的电子迁移率和相对较弱的电子-空穴复合率，因此在光催化制氢方面受到广泛关注。此外，二维材料与三维块体材料相比，表面积相对更大，载流子的迁移距离相对更短，迁移率相对大、电子-空穴不易复合，可以提高空位活性，促进光催化过程中载流子分离，因而更具有研究价值。

基于上述考虑，侯清玉教授团队通过第一性原理计算方法，用密度泛函理论框架下的广义梯度近似(GGA)平面波超软赝势+U方法研究了Mg掺杂和Zn空位及C杂质共存对ZnO单层(001)光催化性能的影响，并从态密度和能带的计算表明所有含杂质体系均为直接带隙半导体。

光催化原理图

研究人员计算了所有体系的载流子寿命，结果表明，单层Zn₃₄C_iC_OMgO₃₅(C_i^1-/2+/3+/4+,C_O^2-)的空穴和电子最不易复合，载流子寿命相对最长、活性最好。通过计算Zn₃₄C_iC_OMgO₃₅(C_i^1-/2+/3+/4+,C_O^2-)的H*自由能表明，Zn₃₄C_iC_OMgO₃₅(C_i^1-/2+/3+/4+,C_O^2-)单层的H*自由能绝对值最小，析氢能力最好，这对分解水制氧和制氢均有利。此研究对设计和制备新型单层Zn₃₄C_iC_OMgO₃₅(C_i^1-/2+/3+/4+,C_O^2-)光催化剂有一定的理论参考价值，且对半导体物理或材料物理学科的发展提供了一定的理论支撑。

相关研究以“First principles study of the effect of (Mg, C) doping and Zn vacancies on the carrier activity, lifetime, visible light effect, and oxidation–reduction reaction of ZnO(0 0 1) monolayers ”为题，于1月在线发表于期刊《Applied Surface Science》 (一区，IF：7.392) 上。

侯清玉教授为该文章通讯作者，材料科学与工程学院2021级博士研究生其木德为第一作者，内蒙古工业大学材料科学与工程学院为第一完成单位。

文字、摄影：材料科学与工程学院