山西
光催化水分解制氢作为清洁能源转化的重要途径，其核心挑战在于如何有效抑制光生载流子的复合。安徽师范大学庄桂林教授团队理论研究发现，二维铁电材料Hf2Ge2S6的独特双稳态特性为解决这一难题提供了新思路。研究团队采用实时-含时密度泛函理论（rt-TDDFT）结合第一性原理计算，系统揭示了该材料在铁电（FE）与顺电（PE）相态间的可控转换机制及其对催化性能的调控规律。
研究显示，单层Hf2Ge2S6具有1.92 eV（铁电相）和1.76 eV（顺电相）的间接带隙，其能带位置可有效跨越水分解的氧化还原电位。铁电相的内建电场（0.68 eV）诱导形成空间分离的电荷分布：导带底电子局域于下表面Ge-S位点，而价带顶空穴富集于上表面Hf-S位点，这种载流子分离特性使得铁电相在光照条件下可选择性析氧反应（OER）。与之相反，顺电相因对称电子结构更有利于析氢反应（HER）的进行，理论计算表明施加2%的拉应变即可实现其自发析氢。研究团队通过非平衡态分子动力学模拟发现，335 nm激光脉冲可在200飞秒内通过激发Ge原子的横向光学（TO）声子模式实现顺电相到铁电相的转变。这种光致相变源于激光诱导的电子转移导致Ge-Ge原子对产生有效的位移，从而打破空间反演对称性。特别值得注意的是，这种相变过程具有可逆性，通过交替施加光场与电场可实现FE/PE相态的可控切换，有效避免了传统纯电场调控中死畴形成的瓶颈问题。
研究进一步揭示了应变工程对催化性能的精细调控作用：施加10%压应变可使铁电相的OER过电势增加至1.00 eV，而顺电相在2%拉应变下即可将HER自由能降至-0.05 eV。结合材料52 N/m的杨氏模量所展现的优异机械柔性，这种光电协同调控策略为开发自适应光催化剂提供了理论基础。理论预测该材料在可见光区的最大光吸收率可达12%，展现出良好的实际应用潜力。
图1 光电交变场激发下可切换铁电光催化剂示意图
图2 单层Hf₂Ge₂S₆的力学性能和介电函数虚部及吸收光谱。
图3 (a)-(b) 铁电相（FE）在0%应变与-10%压缩应变下的析氧反应（OER）吉布斯自由能变化；(c) 铁电相（FE）析氢反应（HER）的吉布斯自由能变化；(d)-(e) 顺电相（PE）在0%应变与+2%拉伸应变下的析氢反应（HER）吉布斯自由能变化；(f) 析氧反应（OER）与析氢反应（HER）的光催化路径示意图。
该工作深入讨论了光致铁电相变与催化反应选择性的关联机制，阐明了原子尺度极化调控对表面反应动力学的决定性作用。该文近期发表于npj ComputationalMaterials11：12(2025)，英文标题与摘要如下，点击左下角“阅读原文”可以自由获取论文PDF。
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