Computational investigation of structural and electronic properties of aqueous interfaces of GaN, ZnO, and a GaN/ZnO alloy

文献情報

出版日 2014-03-24
DOI 10.1039/C4CP00486H
インパクトファクター 3.676
著者

Neerav Kharche, Mark S. Hybertsen, James T. Muckerman


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要旨

The GaN/ZnO alloy functions as a visible-light photocatalyst for splitting water into hydrogen and oxygen. As a first step toward understanding the mechanism and energetics of water-splitting reactions, we investigate the microscopic structure of the aqueous interfaces of the GaN/ZnO alloy and compare them with the aqueous interfaces of pure GaN and ZnO. Specifically, we have studied the (100) surface of GaN and ZnO and the (100) and (110) surfaces of the 1 : 1 GaN/ZnO alloy. The calculations are carried out using first-principles density functional theory based molecular dynamics (DFT-MD). The structure of water within a 3 Å distance from the semiconductor surface is significantly altered by the acid/base chemistry of the aqueous interface. Water adsorption on all surfaces is substantially dissociative such that the surface anions (N or O) act as bases accepting protons from dissociated water molecules while the corresponding hydroxide ions bond with surface cations (Ga or Zn). Additionally, the hard-wall interface presented by the semiconductor imparts ripples in the density of water. Beyond a 3 Å distance from the semiconductor surface, water exhibits a bulk-like hydrogen bond network and oxygen–oxygen radial distribution function. Taken together, these characteristics represent the resting (or “dark”) state of the catalytic interface. The electronic structure analysis of the aqueous GaN/ZnO interface suggests that the photogenerated holes may get trapped on interface species other than the adsorbed OH− ions. This suggests additional dynamical steps in the water oxidation process.

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掲載誌

Physical Chemistry Chemical Physics

Physical Chemistry Chemical Physics
CiteScore: 5.5
自己引用率: 10.3%
年間論文数: 3036

Physical Chemistry Chemical Physics (PCCP) is an international journal co-owned by 19 physical chemistry and physics societies from around the world. This journal publishes original, cutting-edge research in physical chemistry, chemical physics and biophysical chemistry. To be suitable for publication in PCCP, articles must include significant innovation and/or insight into physical chemistry; this is the most important criterion that reviewers and Editors will judge against when evaluating submissions. The journal has a broad scope and welcomes contributions spanning experiment, theory, computation and data science. Topical coverage includes spectroscopy, dynamics, kinetics, statistical mechanics, thermodynamics, electrochemistry, catalysis, surface science, quantum mechanics, quantum computing and machine learning. Interdisciplinary research areas such as polymers and soft matter, materials, nanoscience, energy, surfaces/interfaces, and biophysical chemistry are welcomed if they demonstrate significant innovation and/or insight into physical chemistry. Joined experimental/theoretical studies are particularly appreciated when complementary and based on up-to-date approaches.

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