《科学通报》
开博时间：2019-09-06 16:50:00《科学通报》是主要报道自然科学各学科基础理论和应用研究方面具有创新性、高水平和重要意义的研究成果。报道及时快速，文章可读性强，力求在比较宽泛的学术领域产生深刻影响。
二维材料的高通量筛选与光催化性能预测
2021-11-17 10:49:00如何寻找和设计二维材料?传统的“实验试错法”效率低、成本高，而第一性原理计算不仅能够预测二维材料的结构和物性，还能设计可能的制备路径和方法。结合材料数据库、超级计算机和第一性原理等不同的算法，就可以实现二维材料的靶向设计。
在最近发表于《科学通报》的评述文章“二维材料的高通量筛选与光催化性能预测”中，南开大学周震教授等介绍了理论计算的方法，并总结了国内外二维光催化材料结构设计和光催化性能预测方面的研究成果，包括高通量筛选预测二维材料结构以及理论计算预测二维材料光催化分解水性能。文章收录于“二维材料理论与计算专辑”。
本文亮点：
1. 总结了高通量筛选二维材料结构的发展路程和筛选方法
2. 从理论计算的角度出发讨论了水分解光催化材料需要具备的基本条件并介绍了调控相应性质的方法
3. 结合传统理论计算方法存在的弊端，对该领域未来的发展进行了展望
二维材料高通量筛选
为了从三维体相结构中找出能形成层状结构的材料，研究人员做出了许多努力。2012年，Björkman等人提出，可以通过几何条件从ICSD数据库中筛选出范德华力结合的层状结构，过滤掉晶体填充率较低的体系，再筛出具有大间隙的化合物，最终筛选出四方和六方体系。
此后，Ashton等三个课题组独立提出，可以通过拓扑缩放算法从数据库中筛选二维层状材料。这个算法成功地识别了沿非标准晶轴方向堆叠的、带有非平面夹层间隙的、褶皱的、具有厚层以至于填充率高的，以及沿多个轴方向有间隙的二维层状材料。具体算法如下图所示。
二维材料高通量筛选
二维材料光催化分解水性能预测
水分解光催化剂需要满足3个基本条件：(1)结构稳定，特别是在水中稳定;(2) 有足够宽的带隙;(3) 合适的带边位置。此外，还要有高的光催化效率、良好的光吸收、低的激子结合能、高的电子-空穴迁移率、低的电子-空穴复合率，以及较低的逆反应速率。
电子结构与光学性质
光催化分解水需要有足够的带隙，必须超过1.23 eV的水分解自由能，又要小于3 eV以保证光吸收性能。本文介绍了通过应变、外加电场、化学修饰、掺杂以及厚度控制等方法调整能带结构的方法。
此外，对于光催化剂，应该尽可能地提高其利用可见光的能力，因为可见光占太阳能的40%以上，而紫外光则占不到5%。如下图(c)所示，Xu等人基于G0W0方法和G0W0-BSE方法预测了二维光催化剂的能带结构和光谱。它们中大多数都覆盖了可见光范围，具有捕获光谱中可见光部分的能力。
能带结构及光吸收谱
载流子迁移率
高载流子迁移率在实现高光催化效率方面也起着重要作用。一般而言，迁移率越高，电荷载流子重组的可能性就越低。本文介绍了传统形变势理论的弊端，并总结了能更精确计算载流子迁移率的电子-声子耦合矩阵元方法，如下图所示。
EPC矩阵计算的载流子迁移率
带边位置
光催化水分解反应对催化剂的带边位置有着严格的要求，即CBM和VBM必须同时高于水的还原电位(–4.44 eV，相对于真空能级)并低于水的氧化电位(–5.67 eV，相对于真空能级)，下图c展示了不同pH下水的氧化还原电位，以及相应2D材料的带边位置。本文介绍了G0W0结合传统PBE泛函计算得到校正带边位置的方法，如下图a所示。
带边位置
此外，本文还指出二维材料形成异质结后两层之间存在内建电场。因此，光生电子和空穴倾向于聚集在相对的表面上，促进了光生电子和空穴的分离。
另外，材料A和材料B组成的II型异质结的能带排列导致VBMA
最后，在高通量计算筛选出稳定的二维材料的基础上，根据带隙、光吸收性能、载流子迁移率和带边缘位置的计算研究，可以逐步筛选出稳定的二维材料作为潜在的高效光催化分解水的催化剂。
总结与展望：
材料的高通量计算筛选是快速预测潜在候选材料的强大工具，能够使实验资源得到更有效的利用，并加速二维光催化材料的应用。未来的工作可以从以下两方面展开：(1) 继续理论方法方面的研究，加速计算机计算能力的提升;(2) 高通量计算与机器学习相结合，进一步加速二维光催化材料的靶向设计。
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