低维半导体材料光解水制氢性能

近年来，伴随着工业快速发展和人口急剧膨胀，能源短缺和环境污染越发严重。面对这种严峻的形势，开发利用以太阳能为代表的清洁新能源已迫在眉睫。光解水制氢被普遍认为是利用太阳能解决能源危机和环境危机的有效途径。本书介绍了几种低维半导体材料光催化分解水制氢的工作原理，同时根据一些对光催化性能有影响的因素，如带隙，带边位置，活性位点数量，载流子分离等，提出了几种可以用来调控该光催化性能的方法，例如掺杂，施加应力，组建异质结等。

鞠林，男，山东高密人，1987年6月生，中共党员，安阳师范学院特聘教授。以第一作者身份发表SCI收录论文23 篇。主持国家级项目两项，省部级项目一项，地厅级项目两项。

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 gC3N4/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gC3N4单层 110 7.3.2 gC3N4/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