本书主要介绍作者近些年来针对一些低维半导体材料光解水制氢性能的理论模拟研究成果和前沿概述。作者主要利用第一性原理中的密度泛函理论, 系统地研究了该类材料的激子束缚能、带隙、带边电位、光学吸收谱、载流子迁移率等与光解水直接相关的性质, 并通过施加应力、金属原子修饰、构建异质结等方式对其电子结构和光学性质进行调控, 以改善其光催化性能。
目 录
第一章 绪 论 1
1．1 半导体光催化分解水制氢 1
1．2 二维半导体材料光催化剂 2
1．2．1 二维半导体材料光催化剂现状 2
1．2．2 调控光催化性能的途径 4
1．3 模拟计算在光解水催化剂设计中的应用 7
参考文献 8
第二章 材料的第一性原理物性计算 13
2．1 密度泛函理论基本原理 13
2．1．1 密度泛函理论 13
2．1．2 交换相关能量泛函 15
2．1．3 VASP软件简介 16
2．2 物性计算 17
2．2．1 激子结合能和电偶极矩 17
2．2．2 带边电位 17
2．2．3 载流子迁移率 18
2．2．4 空位形成能 18
2．2．5 掺杂形成能 19
2．2．6 异质结形成能和成键能 19
2．2．7 太阳能转化成氢能效率 19
2．2．8 自由能差 20
参考文献 22
第三章 金原子吸附的氧化石墨烯光催化性能的理论研究 25
概述 25
3．1 研究背景 25
3．2 研究方法 27
3．3 研究结果与讨论 27
3．4 结论 35
参考文献 35
第四章 硫化镉纳米管光催化性能的理论研究 41
概述 41
4．1 研究背景 41
4．2 研究方法 42
4．3 研究结果与讨论 43
4．3．1 六角形平面CdS单层 43
4．3．2 CdS纳米管 45
4．3．3 CdS纳米管平面异质结 52
4．4 结论 55
参考文献 55
第五章 一维蓝磷纳米管光催化性能的理论研究 60
概述 60
5．1 研究背景 60
5．2 研究方法 62
5．3 研究结果与讨论 63
5．3．1 二维六角BP单层 63
5．3．2 蓝磷纳米管 66
5．4 结论 75
参考文献 76
第六章 二维异质结GeS/WS2作为“Z”型光催化材料的理论研究 82
概述 82
6．1 研究背景 82
6．2 研究方法 85
6．3 研究结果与讨论 86
6．3．1 GeS/WX2(X=O，S，Se，Te)vdW异质结的
电子结构 86
6．3．2 孤立的GeS和WS2单层的结构和电子特性 87
6．3．3 GeS/WS2异质结的结构和电子特性 89
6．3．4 GeS/WS2异质结的光催化分解水活性 92
6．3．5 GeS/WS2异质结的催化稳定性 95
6．4 结论 97
参考文献 97
第七章 gC3N4/MoS2分解水光催化剂中用于界面电荷转移的
金属高速通道 107
概述 107
7．1 研究背景 107
7．2 研究方法 109
7．3 研究结果与讨论 110
7．3．1 孤立的MoS2和gC3N4单层 110
7．3．2 gC3N4/MoS2范德华异质结 112
7．3．3 由合适的金属构建的界面高速电荷传输通道 116
7．4 结论 122
参考文献 122
第八章 Janus WSSe单层：一种优良的全解水光催化剂 128
概述 128
8．1 研究背景 128
8．2 计算方法 129
8．3 研究结果与讨论 130
8．3．1 WSSe单层的几何结构和电子结构 130
8．3．2 Janus WSSe单层的光催化性能 132
8．3．3 水分解的表面氧化还原反应 136
8．4 结论 144
参考文献 144
第九章 单组分Janus过渡金属二硫族化物基光催化分解水催化剂 150
概述 150
9．1 绪论 150
9．2 Janus TMDCs的实验性合成 152
9．3 水分子的吸附 153
9．4 太阳光的利用 155
9．5 电荷分离和传输 158
9．6 表面化学催化反应 160
9．7 结论和展望 161
参考文献 162
第十章 二维Janus vdW异质结材料光解水催化剂 168
概述 168
10．1 绪论 168
10．2 Janus异质结材料的合成和结构稳定性 170
10．3 Janus异质结材料的基本属性 171
10．3．1 电子结构 171
10．3．2 光学特性 174
10．4 Janus异质结材料在光催化全解水领域的应用 176
10．5 结论和展望 177
参考文献 180
第十一章 二维铁电材料AgBiP2Se6单层光解水催化性质的探索 192
概述 192
11．1 研究背景 192
11．2 计算方法 194
11．3 研究结果与讨论 194
11．3．1 几何结构、电子结构和光吸收 194
11．3．2 能带排列 199
11．3．3 能量转换效率 201
11．3．4 水分子吸附 202
11．3．5 氧化还原机理 204
11．4 结论 208
参考文献 209
附录 符号表 216
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