本书主要讨论高效水解析氢二维光催化剂的结构设计与性能模拟。简要介绍了本书涉及的密度泛函理论及相应的计算程序，以及内聚能/形成能、声子谱和从头计算分子动力学模拟确认二维材料的结构稳定性的方法，并通过实例展示载流子迁移率和光吸收系数的计算过程；讨论了应变在提升光催化效率中的应用；同时，基于非绝热分子动力学模拟分析了载流子在二维材料中的动力学行为；最后，通过吉布斯自由能计算，评估了析氢和析氧反应的热力学可行性，帮助读者理解光催化反应的热力学限制因素。

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1981.09-1984.07，四川宜宾学院物理学专业学习;1988.09-1991.07,四川大学原子与分子物理研究所硕士研究生，获得理学硕士学位；1997.09-2000.06，四川大学原子与分子物理研究所博士研究生，获得理学博士学位。2000.7-至今，鲁东大学教师、二级教授。其中2002.6-2004.8在中科院大连化物所作博士后研究，2003.03-2014.03任物理与光电工程学院院长。山东省泰山学者特聘专家，国务院政府特殊津贴专家，山东省先进工作者。中国物理学会原子与分子物理专委会委员，中国核学会计算原子与分子物理专委会委员。物理学1.分子间及其与表面相互作用的动力学机制，山东省自然科学奖二等奖，2015,首位； 2. 复杂体系光学、电学和力学性质的微观机理与分子设计研究，山东省自然科学奖二等奖，2019,首位； 3. 水分子分解提取氢的机理研究，山东省自然科学奖二等奖，2021，首位。作为第一作者或通讯作者发表SCI收录学术论文300余篇，入选2022 全球学者学术影响力排行榜。山东省泰山学者特聘专家，国务院政府特殊津贴专家，山东省先进工作者。中国物理学会原子与分子物理专委会委员，中国核学会计算原子与分子物理专委会委员。

目录
前言
第1章 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 能源危机、环境恶化、太阳能利用与光催化 1
1.3 光催化全光解水析氢机理 2
1.4 二维单层光催化水解析氢 3
1.5 二维异质结光催化水解析氢 4
参考文献 5
第2章 第一性原理计算方法与软件简介 8
2.1 密度泛函理论 9
2.1.1 Hohenberg-Kohn定理 9
2.1.2 Kohn-Sham方程 9
2.1.3 交换关联泛函 10
2.2 第一性原理计算软件包 11
2.2.1 VASP软件包 11
2.2.2 Materials Studio软件包 12
2.2.3 QE软件包 12
2.3 电子结构性质 13
2.3.1 能带结构与带隙 13
2.3.2 态密度 14
参考文献 15
第3章 光催化水解析氢二维结构设计基本方法和原则 16
3.1 稳定性判断方法 16
3.1.1 单层结构内聚能与异质结形成能 16
3.1.2 声子谱计算 16
3.1.3 分子动力学模拟 18
3.1.4 力学稳定性 20
3.2 光学性质与载流子迁移率 23
3.3 光催化水解析氢带边带隙条件 24
3.4 二维结构全光解水效率计算 28
3.4.1 单层结构太阳能转氢/转燃料率计算方法 28
3.4.2 二维异质结的太阳能转氢效率 30
3.5 载流子迁移的非绝热分子动力学模拟 31
3.6 全光解水析氢和析氧反应热力学可行性 32
参考文献 35
第4章 光催化全光解水二维结构设计 39
4.1 单层及其原子掺杂结构设计 39
4.1.1 AgInP2S6及其掺杂单层的结构 39
4.1.2 Bi2Se3及其As、Sb、Ga、In、Tl掺杂单层的结构和性质 43
4.2 纳米带 67
4.2.1 卤素原子边缘钝化的Sb纳米带 67
4.2.2 石墨烯纳米带的几何构型、稳定性和电子结构性质 73
4.2.3 边缘调控GeC纳米带光催化性质 82
4.3 高通量计算预测单层结构 89
4.3.1 Bi2Se3单层异构体 89
4.3.2 Ga2S3单层异构体 98
4.4 单原子掺杂表面结构设计 105
4.5 异质结 112
4.5.1 AuSe/SnS异质结结构设计 112
4.5.2 二维Sc2CCl2/SiS2异质结结构、光学性质和载流子迁移率 115
4.5.3 PtTe2/Sb2S3异质结的几何结构和稳定性 119
参考文献 123
第5章 光催化水解析氢方案构建 132
5.1 单层结构光催化全光解水析氢 132
5.1.1 TeX(X=Si, Ge, Sn)单层 132
5.1.2 BiMP6(M=Al，Ga，In)单层 137
5.2 双层异质结的直接Z型全光解水析氢方案 141
5.2.1 HfS2/SiSe异质结 142
5.2.2 RuI2/Sb2S3异质结 149
5.2.3 PtI2/Bi2X3(X=S, Se,Te)异质结 156
5.2.4 PtTe2/Sb2S3异质结 170
5.3 传统Ⅱ型载流子迁移机制的异质结光催化水解析氢方案 178
5.4 三层异质结双Z型全光解水析氢方案 184
5.5 纳米带异质结全光解水析氢方案 197
参考文献 202
第6章 应变工程调控效应 208
6.1 应变工程对单层的调控效应 209
6.1.1 应变工程对BiMP6(M=Al，Ga，In)单层的电子结构性质和光学性质的
影响 209
6.1.2 应变工程调控SiCP4单层的太阳能转氢效率 212
6.1.3 应变工程对XBiSe3(X=As, Sb)单层的调控效应 224
6.1.4 应变工程对ZBiSe3(Z=Ga，In，Tl)单层的调控效应 227
6.2 二维异质结光催化析氢中的应变工程效应 229
6.2.1 二维AuSe/SnSe异质结光催化析氢中的应变工程效应 229
6.2.2 HfSe2/GaAs3和ZrSe2/GaAs3异质结全光解水的应变工程调控 241
6.2.3 PtI2/Bi2Y3(Y=S, Se)异质结太阳能转氢效率和应变工程 246
6.2.4 PtTe2/Sb2S3异质结太阳能转氢效率和应变工程调控效应 249
参考文献 251
第7章 光解水反应中载流子转移的非绝热分子动力学模拟 255
7.1 单层光催化水解析氢及载流子转移非绝热动力学 255
7.2 二维异质结光催化水解析氢载流子转移非绝热动力学 262
7.2.1 CrS3/GeSe异质结中的光生载流子动力学 262
7.2.2 SiSe/SnSe2和SiSe/SnSSe异质结中的载流子动力学 271
7.3 三层异质结光催化中的光生载流子动力学 281
7.4 一维纳米带异质结光催化中的载流子转移非绝热动力学 286
参考文献 287
第8章 光催化水解析氢反应的热力学可行性 291
8.1 单层全光解水的热力学可行性 291
8.2 异质结全光解水的热力学可行性 295
8.2.1 AuSe/SnS异质结析氢反应吉布斯自由能 295
8.2.2 PtI2/Bi2A3(A=S, Se)异质结全光解水热力学可行性 296
8.2.3 PtTe2/Sb2S3异质结全光解水析氢的热力学可行性 299
8.3 石墨烯纳米带的析氢和析氧反应热力学可行性 303
8.4 二氧化碳降解反应吉布斯自由能计算 305
8.4.1 SiCP4异构体光催化CO2降解反应 306
8.4.2 HfSe2/GaAs3和ZrSe2/GaAs3异质结光催化降解CO2的热力学可行性 308
8.5 pH调控 310
参考文献 312