光催化技术已成为解决环境污染和全球化石燃料消耗等紧迫问题的一种可持续发展的策略。Z型异质结由于具有宽的太阳光吸收光谱和具有强氧化还原能力的光生载流子，在光催化技术领域引起了广泛的关注。因此，开发和设计有效的Z型光催化异质结构对于光催化技术的进一步发展具有重要意义。
目前，通过实验或理论计算对异质结构进行筛选引起了人们的广泛关注，但是该手段具有价格昂贵的局限性。基于此，新加坡国立大学沈雷和重庆大学周苗等提出了一种高效的数据驱动快速筛选范德瓦尔斯(vdW) Z型异质结，绕过了昂贵的计算和实验的需求。具体而言，研究人员首先计算了18种实验合成的H相过渡金属硫族化合物(TMD)的Heyd–Scuseria–Ernzerh泛函(HSE)电子结构，即HfTe2，MoS2，TiSe2，WSe2，ZrSe2，CrSe2，HfSe2，TiTe2，WTe2，ZrS2，CrTe2，HfS2，TiS2，WS2，CrS2，MoSe2，MoTe2和ZrTe2。利用它们的HSE电子结构和Anderson规则，团队在153个异质结构(由18个TMD形成)中筛选了112个具有Ⅱ型带排列异质结。随后，又在这112种Ⅱ型异质结中筛选出20种材料，并系统地计算了它们的HSE电子结构、电荷转移量和内置界面电场。利用来自18个TMD和20个vdW异质结的数据，开发了一种称为Allen“材料”电负性(Δχm)的新描述符。值得注意的是，这不同于传统的鲍林电负性，Δχm适用于原子，并且这个材料电负性描述符能够从112个Ⅱ型异质结中进一步确定总共27个Z型异质结，而不需要对大量的异质结催化剂进行昂贵的HSE计算。其中，在筛选出的27种材料中的3个已在文献中报道，其余24个至今未见报道。最后，对27种候选结构进行了优化，选取6种具有最小晶格失配的Z型异质结构(TiS2/CrSe2，TiS2/MoS2，TiS2/MoSe2，TiSe2/MoSe2，TiS2/WS2和TiSe2/WSe2)，并通过密度泛函理论进行了验证。同时，光学计算表明，TiS2/CrSe2具有近红外光吸收和较大的反应驱动力，显示出巨大的光催化应用潜力。综上，数据驱动的有效描述符的发现不仅有效筛选出具有应用潜力的Z型异质结，而且为开发高效的催化剂以加速太阳能制氢、CO2还原等重要光催化反应的发展提供了简单而有效的手段。Data-Driven Discovery of Transition Metal Dichalcogenide-Based Z-Scheme Photocatalytic Heterostructures. ACS Catalysis, 2023. DOI: 10.1021/acscatal.3c02315
