光催化水分解制氫作為清潔能源轉(zhuǎn)化的重要途徑，其核心挑戰(zhàn)在于如何有效抑制光生載流子的復(fù)合。安徽師范大學(xué)莊桂林教授團(tuán)隊(duì)理論研究發(fā)現(xiàn)，二維鐵電材料Hf2Ge2S6的獨(dú)特雙穩(wěn)態(tài)特性為解決這一難題提供了新思路。研究團(tuán)隊(duì)采用實(shí)時(shí)-含時(shí)密度泛函理論（rt-TDDFT）結(jié)合第一性原理計(jì)算，系統(tǒng)揭示了該材料在鐵電（FE）與順電（PE）相態(tài)間的可控轉(zhuǎn)換機(jī)制及其對催化性能的調(diào)控規(guī)律。

研究顯示，單層Hf2Ge2S6具有1.92 eV（鐵電相）和1.76 eV（順電相）的間接帶隙，其能帶位置可有效跨越水分解的氧化還原電位。鐵電相的內(nèi)建電場（0.68 eV）誘導(dǎo)形成空間分離的電荷分布：導(dǎo)帶底電子局域于下表面Ge-S位點(diǎn)，而價(jià)帶頂空穴富集于上表面Hf-S位點(diǎn)，這種載流子分離特性使得鐵電相在光照條件下可選擇性析氧反應(yīng)（OER）。與之相反，順電相因?qū)ΨQ電子結(jié)構(gòu)更有利于析氫反應(yīng)（HER）的進(jìn)行，理論計(jì)算表明施加2%的拉應(yīng)變即可實(shí)現(xiàn)其自發(fā)析氫。研究團(tuán)隊(duì)通過非平衡態(tài)分子動力學(xué)模擬發(fā)現(xiàn)，335 nm激光脈沖可在200飛秒內(nèi)通過激發(fā)Ge原子的橫向光學(xué)（TO）聲子模式實(shí)現(xiàn)順電相到鐵電相的轉(zhuǎn)變。這種光致相變源于激光誘導(dǎo)的電子轉(zhuǎn)移導(dǎo)致Ge-Ge原子對產(chǎn)生有效的位移，從而打破空間反演對稱性。特別值得注意的是，這種相變過程具有可逆性，通過交替施加光場與電場可實(shí)現(xiàn)FE/PE相態(tài)的可控切換，有效避免了傳統(tǒng)純電場調(diào)控中死疇形成的瓶頸問題。

研究進(jìn)一步揭示了應(yīng)變工程對催化性能的精細(xì)調(diào)控作用：施加10%壓應(yīng)變可使鐵電相的OER過電勢增加至1.00 eV，而順電相在2%拉應(yīng)變下即可將HER自由能降至-0.05 eV。結(jié)合材料52 N/m的楊氏模量所展現(xiàn)的優(yōu)異機(jī)械柔性，這種光電協(xié)同調(diào)控策略為開發(fā)自適應(yīng)光催化劑提供了理論基礎(chǔ)。理論預(yù)測該材料在可見光區(qū)的最大光吸收率可達(dá)12%，展現(xiàn)出良好的實(shí)際應(yīng)用潛力。

圖1 光電交變場激發(fā)下可切換鐵電光催化劑示意圖

圖2 單層Hf?Ge?S?的力學(xué)性能和介電函數(shù)虛部及吸收光譜。

圖3 (a)-(b) 鐵電相（FE）在0%應(yīng)變與-10%壓縮應(yīng)變下的析氧反應(yīng)（OER）吉布斯自由能變化；(c) 鐵電相（FE）析氫反應(yīng)（HER）的吉布斯自由能變化；(d)-(e) 順電相（PE）在0%應(yīng)變與+2%拉伸應(yīng)變下的析氫反應(yīng)（HER）吉布斯自由能變化；(f) 析氧反應(yīng)（OER）與析氫反應(yīng)（HER）的光催化路徑示意圖。

該工作深入討論了光致鐵電相變與催化反應(yīng)選擇性的關(guān)聯(lián)機(jī)制，闡明了原子尺度極化調(diào)控對表面反應(yīng)動力學(xué)的決定性作用。該文近期發(fā)表于npj ComputationalMaterials11：12(2025)，英文標(biāo)題與摘要如下，點(diǎn)擊左下角“閱讀原文”可以自由獲取論文PDF。