Harnessing intrinsic electric fields in 2D Janus MoOX (X=S, Se, and Te) monolayers for enhanced photocatalytic hydrogen evolution

• DOI: 10.1016/j.ijhydene.2024.04.257
• Publication Date: 2024-04-30T20:20:04Z
• Authors: Zakaryae Haman; Moussa Kibbou; Nabil Khossossi; Elhoussaine Ouabida; Poulumi Dey; Ismail Essaoudi; Abdelmajid Ainane
• Keywords: Janus; Photocatalytic Materials for Solar Energy Conversion; 2D janus monolayer; Chemical physics; Materials Science; Organic chemistry; 530; Quantum mechanics; Catalysis; Solar to hydrogen efficiency; Monolayer MoS2; First-principles calculations; Engineering; Chemical engineering; Gas Sensing Technology and Materials; Electric field; Materials Chemistry; FOS: Electrical engineering, electronic engineering, information engineering; Nanotechnology; Electrical and Electronic Engineering; Photocatalysis; Photoluminescence; FOS: Chemical engineering; Two-Dimensional Materials; FOS: Nanotechnology; Energy; Optical absorption; Renewable Energy, Sustainability and the Environment; Physics; Monolayer; Hydrogen evolution reaction; Materials science; Chemistry; Physical Sciences; Photocatalysts; Hydrogen

Las monocapas bidimensionales (2D) de Janus, que se distinguen por sus campos eléctricos verticales intrínsecos, emergen como materiales altamente eficientes y ecológicos para avanzar en el campo de las reacciones de evolución del hidrógeno (HER). En este estudio, exploramos, por primera vez, la viabilidad potencial de la fase de oxigenación de monocapas bidimensionales de dicalcogenuros de metales de transición Janus MoOX (X = S, Se y Te) como un fotocatalizador excepcionalmente eficiente para la producción de hidrógeno. Con base en los cálculos de los primeros principios, demostramos que las tres monocapas exhiben un comportamiento semiconductor, caracterizado por una brecha de banda que varía de 0.66 a 1.55 eV. Esta estrecha brecha de banda hace que los materiales propuestos sean altamente eficientes para absorber la luz dentro de la región visible. De manera emocionante, la introducción de una diferencia de potencial electrostático ΔΦ nos ha otorgado la capacidad de superar el límite de banda prohibida convencional (Eg≥1.23). En consecuencia, todas las monocapas exhiben una alineación de banda favorable con respecto al nivel de vacío. Además, la eficiencia calculada de energía solar a hidrógeno para la monocapa prevista excede el límite teórico establecido. Particularmente, la monocapa de MoOTe emerge como un fotocatalizador impulsado por luz infrarroja, demostrando un notable límite de eficiencia solar a hidrógeno de hasta el 25,21% al considerar todo el espectro solar. Un examen exhaustivo de las diferencias de energía libre de Gibbs entre estas monocapas ha revelado que los valores durante la fase de oxigenación son significativamente más pequeños y se acercan al óptimo, en contraste con los dicalcogenuros de metales de transición Janus bidimensionales parentales. Nuestros resultados establecen de manera concluyente que los materiales propuestos exhiben una eficiencia excepcional como fotocatalizadores para las reacciones de evolución de hidrógeno. En particular, su eficacia se demuestra incluso en la falta de co-catalizadores o agentes de sacrificio.<br/>Two-dimensional (2D) Janus monolayers, distinguished by their intrinsic vertical electric fields, emerge as highly efficient and eco-friendly materials for advancing the field of hydrogen evolution reactions (HER). In this study, we explore, for the first time, the potential viability of the oxygenation phase of two-dimensional Janus transition metal dichalcogenides MoOX (X = S, Se, and Te) monolayers as an exceptionally efficient photocatalyst for hydrogen production. Based on first-principles computations, we demonstrate that all three monolayers exhibit semiconductor behavior, characterized by a band gap ranging from 0.66 to 1.55 eV. This narrow band gap renders the proposed materials highly efficient at absorbing light within the visible region. Excitingly, the introduction of an electrostatic potential difference ΔΦ has granted us the ability to surpass the conventional bandgap limit (Eg≥1.23). Consequently, all monolayers exhibit favorable band alignment with respect to the vacuum level. Moreover, the calculated solar-to-hydrogen efficiency for the envisaged monolayer exceeds the established theoretical limit. Particularly, the MoOTe monolayer emerges as an infrared-light-driven photocatalyst, demonstrating a remarkable solar-to-hydrogen efficiency limit of up to 25,21% when considering the entire solar spectrum. A thorough examination of the Gibbs free energy differences across these monolayers has revealed that the values during the oxygenation phase are significantly smaller and approach the optimum, in contrast to the parental two-dimensional Janus transition metal dichalcogenides. Our results conclusively establish that the proposed materials exhibit exceptional efficiency as photocatalysts for hydrogen evolution reactions. Notably, their efficacy is demonstrated even in the lack of co-catalysts or sacrificial agents.<br/>Les monocouches Janus bidimensionnelles (2D), qui se distinguent par leurs champs électriques verticaux intrinsèques, apparaissent comme des matériaux très efficaces et respectueux de l'environnement pour faire progresser le domaine des réactions d'évolution de l'hydrogène (HER). Dans cette étude, nous explorons, pour la première fois, la viabilité potentielle de la phase d'oxygénation des monocouches de dichalcogénures de métaux de transition Janus en deux dimensions MoOX (X = S, Se et Te) en tant que photocatalyseur exceptionnellement efficace pour la production d'hydrogène. Sur la base des calculs des premiers principes, nous démontrons que les trois monocouches présentent un comportement semi-conducteur, caractérisé par une bande interdite allant de 0,66 à 1,55 eV. Cette bande interdite étroite rend les matériaux proposés très efficaces pour absorber la lumière dans la région visible. Fait passionnant, l'introduction d'une différence de potentiel électrostatique ΔΦ nous a permis de dépasser la limite de bande interdite conventionnelle (Eg≥1,23). Par conséquent, toutes les monocouches présentent un alignement de bande favorable par rapport au niveau de vide. De plus, l'efficacité solaire en hydrogène calculée pour la monocouche envisagée dépasse la limite théorique établie. En particulier, la monocouche MoOTe émerge comme un photocatalyseur piloté par la lumière infrarouge, démontrant une limite d'efficacité remarquable du solaire à l'hydrogène allant jusqu'à 25,21 % lorsque l'on considère l'ensemble du spectre solaire. Un examen approfondi des différences d'énergie libre de Gibbs entre ces monocouches a révélé que les valeurs pendant la phase d'oxygénation sont significativement plus petites et se rapprochent de l'optimum, contrairement aux dichalcogénures parentaux de métaux de transition Janus bidimensionnels. Nos résultats établissent de manière concluante que les matériaux proposés présentent une efficacité exceptionnelle en tant que photocatalyseurs pour les réactions d'évolution de l'hydrogène. Notamment, leur efficacité est démontrée même en l'absence de co-catalyseurs ou d'agents sacrificiels.<br/>تظهر أحاديات يانوس ثنائية الأبعاد (2D)، التي تتميز بمجالاتها الكهربائية العمودية الجوهرية، كمواد عالية الكفاءة وصديقة للبيئة للنهوض بمجال تفاعلات تطور الهيدروجين (HER). في هذه الدراسة، نستكشف، لأول مرة، الجدوى المحتملة لمرحلة الأوكسجين للطبقات الأحادية ثنائية الأبعاد من معدن جانوس الانتقالي MoOX (X = S, Se, and Te) كحفاز ضوئي فعال بشكل استثنائي لإنتاج الهيدروجين. استنادًا إلى حسابات المبادئ الأولى، نثبت أن جميع الطبقات الأحادية الثلاث تظهر سلوك أشباه الموصلات، والتي تتميز بفجوة نطاق تتراوح من 0.66 إلى 1.55 فولت. هذه الفجوة الضيقة تجعل المواد المقترحة عالية الكفاءة في امتصاص الضوء داخل المنطقة المرئية. ومن المثير للاهتمام أن إدخال فرق الجهد الكهروستاتيكي ΔΦ قد منحنا القدرة على تجاوز حد فجوة النطاق التقليدية (على سبيل المثال≥1.23). وبالتالي، تظهر جميع الطبقات الأحادية محاذاة نطاق مواتية فيما يتعلق بمستوى التفريغ. علاوة على ذلك، تتجاوز الكفاءة المحسوبة من الطاقة الشمسية إلى الهيدروجين للطبقة الأحادية المتوخاة الحد النظري المحدد. على وجه الخصوص، تظهر طبقة MoOTe الأحادية كحفاز ضوئي يعمل بالأشعة تحت الحمراء، مما يدل على حد كفاءة رائع من الطاقة الشمسية إلى الهيدروجين يصل إلى 25،21 ٪ عند النظر في الطيف الشمسي بأكمله. كشف فحص شامل لاختلافات الطاقة الحرة لجيبس عبر هذه الطبقات الأحادية أن القيم خلال مرحلة الأوكسجين أصغر بكثير وتقترب من المستوى الأمثل، على النقيض من ثنائي كالكوجينيدات فلز جانوس الانتقالي ثنائي الأبعاد. تثبت نتائجنا بشكل قاطع أن المواد المقترحة تظهر كفاءة استثنائية كمحفزات ضوئية لتفاعلات تطور الهيدروجين. والجدير بالذكر أن فعاليتها تتجلى حتى في نقص المحفزات المشتركة أو العوامل القربانية.<br/>