范德华异质结光催化剂的第一性原理研究

本研究成果着力于解决以上关键科学问题，以高通量计算构建科学可行的范德华异质结为前提。以促进其光生电子和空穴定向转移与提高光催化反应量子效率为主线，基于密度泛函第一性原理计算和玻尔兹曼理论，从结构封装、官能团吸附或杂质态、多相或混合维度三方面入手，实现了结构稳定、性能优异、高效率催化剂的理论构建，建立了有效调控光催化过程的新原理。其中，结构封装，力图解决外界环境因素对催化活性的干扰问题；官能团吸附或杂质态模型，力图从反应机理上扩展对自由基的利用；多相或混合维度设计，力图解决电子和空穴定向转移的快慢问题，实现光催化产氢时界面、相和维度等的高效协同作用。
本书研究设计了大量的范德华异质结光催化实验，建立相应的材料基因数据库，实现了可控的界面效应和光催化反应量子效率的目标，在光催化剂的模型构建方法和理论体系上有了重大突破。本书为推动光催化科学发展、范德华异质结光催化剂在太阳能产氢的实际应用，提供了重要理论指导和数据模型支撑。本书共设置十章内容，系统介绍了范德华异质结光催化剂的理论构建与活性增强机理。

第1章 范德华异质结
1.1 引言
1.2 二维材料概述
1.3 二维材料的应用
1.3.1 传感器领域
1.3.2 储能和新型显示领域
1.3.3 半导体材料光电领域
1.3.4 光催化领域
1.3.5 生物医学领域
第2章 第一性原理计算方法
2.1 多粒子体系的第一原理
2.1.1 绝热近似
2.1.2 Hartree-Fock近似
2.2 密度泛函理论
2.2.1 Hohenberg-Kohn定理
2.2.2 Kohn-Sham方程
2.3 常用的交换关联泛函
2.3.1 局域密度近似
2.3.2 广义梯度近似
2.3.3 赝势
2.3.4 杂化密度泛函
2.4 密度泛函理论的应用
2.4.1 物理学：强相关体系
2.4.2 化学：弱作用体系
2.4.3 分子电子学：输运性质
2.4.4 光谱学：激发态和外场
第3章 二维石墨烯／Ag3PO4体材料的范德华异质结光催化剂
3.1 引言
3.2 计算模型与方法
3.3 结果分析与讨论
3.3.1 几何结构
3.3.2 能带结构和态密度
3.3.3 电荷转移和机理分析
3.3.4 光学性质
3.4 本章小结
第4章 二维g-C3N4／还原氧化石墨烯范德华异质结光催化剂
4.1 引言
4.2 计算方法
4.3 结果分析与讨论
4.3.1 g-C3N4及g-C3N4／GR复合异质结的结构与电子性质
4.3.2 g-C3N4／RGO复合异质结的结构和电子性质
4.3.3 电荷密度差和光催化性能增强的机理分析
4.3.4 光学性质和光催化分解水过程
4.4 本章小结
第5章 零维C60／二维g-C3N4范德华异质结光催化剂
5.1 引言
5.2 计算方法
5.3 结果分析与讨论
5.3.1 g-C3N4单层和C60分子的结构特征和电子性质
5.3.2 C60／g-C3N4复合异质结的构型和电子结构
5.3.3 N2原子对界面相互作用的影响
5.3.4 C60／g-C3N4异质结光催化性能
5.3.5 C60／g-C3N4异质结构型平面夹角变化对其光催化性能的影响
5.4 本章小结
第6章 二维硫化钼一石墨烯基三元多层范德华异质结光催化剂
6.1 引言
6.2 计算方法
6.3 结果分析与讨论
6.3.1 二维多层异质结界面处的电荷转移
6.3.2 二维多层复合异质结的电子结构
6.3.3 二维多层复合异质结的静电势
6.3.4 二维多层复合异质结的光学特性
6.3.5 电场对二维多层复合异质结电子性质的调控
6.3.6 GR／MoS3基多层异质结普适特性
6.4 本章小结
第7章 CeO：半导体／氧化还原石墨烯范德华异质结光催化剂：官能团
调控作用
7.1 引言
7.2 计算模型与方法
7.3 结果分析与讨论
7.3.1 CeO2／石墨烯复合材料
7.3.2 CeO2／高度还原氧化石墨烯复合材料
7.3.3 界面电荷转移和机理分析
7.3.4 杂化密度泛函计算
7.3.5 TiO2和Ag3PO4与高度还原氧化石墨烯复合材料
7.4 本章小结
第8章 hBN／MoS2范德华异质结：外场对范德华异质结性能的调控
8.1 引言
8.2 计算方法
8.3 结果分析与讨论
8.3.1 n-hBN／MoS2异质结的结构及其稳定性
8.3.2 n-hBN／MoS2异质结的能带带隙随电场的变化关系
8.3.3 n-hBN／MoS2异质结的能带随电场变化的机制
8.3.4 电场对n-hBN／MoS2异质结界面特性的影响
8.3.5 n-hBN／MoS2异质结中电场可调的直接与间接带隙的机制探讨
8.4 本章小结
第9章 宽禁带半导体SiC／MoS2层状范德华异质结光催化剂
9.1 引言
9.2 理论与模型
9.3 结果与讨论
9.4 结论
第10章 二维层状非金属SiC／g-C3N4范德华异质结光催化剂
10.1 引言
10.2 理论与模型
10.3 结果与讨论
10.3.1 单独的两个组分
10.3.2 结构稳定性
10.3.3 几何结构
10.3.4 电子和光学性质
10.3.5 界面属性
10.3.6 制氢的光催化活性
10.4 结论