2025年9月常州大学低碳清洁能源与安全高效燃烧科研团队孙运兰教授课题组2023级硕士研究生伍双艳在International Journal of Hydrogen Energy期刊发表了题为“Construction of direct Z-scheme 0D/2D g-C₃N₄/As₄Se₄ heterostructure for boosting optical absorption and photocatalytic hydrogen production”的研究论文。

在本研究中，我们构建了一种由零维（0D）As₄Se₄簇与二维（2D）g-C₃N₄单层组成的0D/2D g-C₃N₄/As₄Se₄异质结，并通过第一性原理计算系统研究了其光催化析氢性能。电子结构分析表明，该Z型0D/2D g-C₃N₄/As₄Se₄异质结具有相对较低的带隙（2.12 eV）。且0D/2D g-C₃N₄/As₄Se₄异质结的声子谱无虚频，验证了其动力学稳定性。同时，在300 K水环境中，该异质结构仍保持稳定，其带隙为2.22 eV。通过电荷密度差和功函数分析，确定0D/2D g-C₃N₄/As₄Se₄异质结中的电荷转移路径，并讨论了异质结构形成前后电荷转移方向的变化。在施加−6 ~ 6%的双轴应变条件下，0D/2D g-C₃N₄/As₄Se₄异质结的带隙可在1.63~2.27 eV之间调控，并保持type-II型异质结构特征。而在−0.6 ~ 0.6 eV/Å的外电场作用下，其带隙从1.22 eV逐渐增大至2.49 eV，其能带排列发生由type-II向type-I的转变。此外，0D/2D CNASE HS实现了11.83%的太阳能转氢效率，并在可见光区表现出高达9.03 × 10⁴ cm^-1的吸收系数。在析氧反应（OER）过程中，C原子是主要活性位点；而在析氢反应（HER）过程中，As原子则作为主要活性位点，其对应的自由能变化ΔG仅为0.28 eV。本研究为0D/2D异质结构催化体系的合理设计与性能优化提供了更加全面的理论依据与指导。

  该论文第一作者伍双艳是常州大学2023级动力工程及工程热物理专业硕士研究生，此研究成果常州大学孙运兰教授为通讯作者，常州大学是第一作者和通讯作者单位。

英文摘要：

The design of new photocatalysts is crucial for promoting the realization of clean hydrogen energy. In this study, the 0D/2D g-C₃N₄/As₄Se₄ heterostructure that consists of a 0D As₄Se₄ cluster and a 2D g-C₃N₄ monolayer was designed. The calculation results of electronic structures show that the 0D/2D g-C₃N₄/As₄Se₄ heterostructure has a low band gap value (2.12 eV) and exhibits the characteristics of Z-scheme heterostructure. The charge transfer path within this heterostructure was determined through charge density difference and work function analysis, which reveals the change in charge transfer direction before and after bonding. In the range of -6 ~ 6 % biaxial strain, the 0D/2D g-C₃N₄/As₄Se₄ heterostructure maintains the type-II configuration. When an external electric field of -0.6 to 0.6 V/Å is applied, the 0D/2D g-C₃N₄/As₄Se₄ heterostructure can transition from a type-II to a type-I configuration. Moreover, the 0D/2D g-C₃N₄/As₄Se₄ heterostructure demonstrates excellent light absorption capacity and significant hydrogen production efficiency.

Graphical Abstract：

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2025.151663

撰稿：2023级硕士生伍双艳  审核：朱宝忠

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