计算材料学

本书为“中国战略性新兴 产业——前沿新材料”丛书 之分册。 本书基于“材料科学系统 工程发展战略研究——中国 版材料基因组计划”重大项 目研究成果，着力论述如何 从发展计算材料学理论和方 法、开发高效光催化以及新 型能源等方面来开发设计材 料。全书共7章，包括第一 性原理方法、分子动力学方 法、光催化基本原理、高效 光催化材料设计、光解水制 氢设计、新型储能和光伏材 料的开发。重点论述最前沿 的理论方法、光催化材料的 最新成就和最新进展，以及 作者在多年科研实践中的成 果、经验和体会。 本书可供材料领域的科 研人员和工程技术人员参考 ，也可作为高等院校材料科 学与工程、物理学等专业高 年级本科生及硕士研究生的 教材。

刘利民，北京航空航天大学教授、博士生导师。先后在英国贝尔法斯特女王大学、德国马普协会弗里茨哈伯研究所、英国伦敦大学学院和美国普林斯顿大学工作。入选第二届“国家海外高层次人才引进计划”，获得国家优秀青年科学基金、英国皇家协会牛顿基金、国家杰出青年科学基金资助。任Scientific Reports等期刊国际编委、国际电化学协会委员、中国材料研究学会计算材料学分会副秘书长。长期从事计算材料理论开发与应用研究，专注于半导体与低维纳米材料的物性研究与创新设计。在Nature及其子刊、PNAS等国内外知名学术刊物发表论文240余篇，连续十年入选爱思唯尔中国高被引学者。

绪论 0.1 背景 0.2 计算材料学概念和发展历程 0.3 计算材料学发展的意义 0.4 本书思路和结构安排 第1章 第一性原理方法 1.1 第一性原理方法发展概述 1.2 电子结构计算方法 1.2.1 概述 1.2.2 非相对论近似 1.2.3 玻恩一奥本海默近似 1.2.4 平均场近似 1.2.5 Hartree-Fock方程 1.2.6 过渡态理论 1.3 密度泛函理论 1.3.1 Hohenberg-Kohn定理 1.3.2 Kohn-Sham方程 1.3.3 交换关联泛函 1.3.4 赝势 1.3.5 基组 1.4 原子尺度高精度材料计算方法的发展 1.4.1 DFT+U方法与第一性原理线性响应参数 1.4.2 溶剂化模型 1.4.3 Cluster Expansiml模型 1.4.4 Surface Hopping模型 1.4.5 机器学习 1.5 第一性原理计算方法的发展趋势 1.5.1 基础理论的发展及算法的改进 1.5.2 基于结构的物理化学性质的高通量筛选 1.5.3 人工智能与第一性原理结合的高通量多尺度计算 1.5.4 第一性原理计算多尺度的材料设计的展望 参考文献 第2章 分子动力学方法 2.1 分子动力学方法概述 2.2 分子动力学基本原理 2.3 分子动力学力场 2.3.1 分子动力学的力场概述 2.3.2 常见的分子力场 2.3.3 基于机器学习模拟分子力场 2.4 分子尺度材料模拟的发展趋势 参考文献 第3章 光催化技术及其基本原理 3.1 光催化技术发展概述 3.2 光催化基本原理 3.3 光催化材料本征性质 3.3.1 电子结构 3.3.2 光吸收 3.3.3 表面活性 3.4 光催化材料设计方法 3.4.1 掺杂 3.4.2 异质结构 3.4.3 单原子 3.4.4 深度势分子动力学 3.5 光催化材料发展趋势 参考文献 第4章 高效光催化材料设计 4.1 高效光催化材料开发概述 4.1.1 高效光催化的原理 4.1.2 高效光催化剂的发展现状 4.2 高效催化剂中多余电子理论 4.2.1 局域跃迁理论 4.2.2 能级跃迁理论 4.3 高效催化剂二氧化钛中多余电子行为 4.3.1 金红石二氧化钛体相多余电子行为 4.3.2 金红石二氧化钛表面多余电子行为 4.3.3 锐钛矿二氧化钛体相多余电子行为 4.3.4 锐钛矿二氧化钛表面多余电子行为 4.4 高效催化剂中多余电子对化学反应的影响 4.4.1 多余电子或极化子与水分子之间的作用研究 4.4.2 真实水溶液环境对二氧化碳分子转化影响 4.5 结果与展望 参考文献 第5章 光解水制氢 5.1 光解水催化材料发展概述 5.2 光解水基本原理 5.3 二维材料在光解水制氢中的应用 5.3.1 二维闪锌矿材料的单原子层结构 5.3.2 二维闪锌矿结构的热力学稳定性 5.3.3 二维结构和稳定性之间的关系 5.3.4 不同相结构之间的相对稳定性 5.3.5 电子结构 5.3.6 光催化活性 5.4 NaTaO3光解水催化材料开发设计 5.4.1 NaTaO3材料概述 5.4.2 NaTaO3表面的几何结构和形成能 5.4.3 NaTaO3表面的电子结构 5.4.4 在未掺杂和Sr掺杂的NaTaO3（001）上的水氧化 5.5 光解水制氢发展趋势 参考文献 第6章 新型能源及存储材料 6.1 锂离子电池能源存储材料的发展概述 6.2 理论方法在锂离子电池研究中的应用 6.2.1 第一性原理计算的发展及其在锂离子电池材料研究中的应用 6.2.2 分子动力学的理论基础及其应用 6.2.3 相场模型的基本原理及其应用 6.3 不同结构／电子设计对锂离子电池电极电化学性能调控 6.3.1 二氧化锰正极材料电化学机制的理论研究 6.3.2 理论计算预测与设计锂离子电池新型高性能负极 6.4 总结与展望 参考文献 第7章 光伏电池材料设计开发 7.1 钙钛矿光伏电池发展概述 7.2 水对有机无机杂化钙钛矿的影响 7.2.1 水对钙钛矿晶体结构影响 7.2.2 水对钙钛矿电子结构影响 7.3 有机分子对有机无机杂化钙钛矿的影响 7.3.1 相结构的稳定性 7.3.2 三种离子（I-／Pb2+／MA+）的迁移 7.3.3 迟滞效应的调控 参考文献