本書主要討論高效水解析氫二維光催化劑的結構設計與性能模擬。簡要介紹了本書涉及的密度泛函理論及相應的計算程序，以及內聚能/形成能、聲子譜和從頭計算分子動力學模擬確認二維材料的結構穩定性的方法，并通過實例展示載流子遷移率和光吸收系數的計算過程；討論了應變在提升光催化效率中的應用；同時，基于非絕熱分子動力學模擬分析了載流子在二維材料中的動力學行為；最后，通過吉布斯自由能計算，評估了析氫和析氧反應的熱力學可行性，幫助讀者理解光催化反應的熱力學限制因素。

1.分子間及其與表面相互作用的動力學機制，山東省自然科學獎二等獎，2015,首位；2. 復雜體系光學、電學和力學性質的微觀機理與分子設計研究，山東省自然科學獎二等獎，2019,首位；3. 水分子分解提取氫的機理研究，山東省自然科學獎二等獎，2021，首位。

目錄
前言
第1章 緒論 1
1.1 引言 1
1.2 能源危機、環境惡化、太陽能利用與光催化 1
1.3 光催化全光解水析氫機理 2
1.4 二維單層光催化水解析氫 3
1.5 二維異質結光催化水解析氫 4
參考文獻 5
第2章 第一性原理計算方法與軟件簡介 8
2.1 密度泛函理論 9
2.1.1 Hohenberg-Kohn定理 9
2.1.2 Kohn-Sham方程 9
2.1.3 交換關聯泛函 10
2.2 第一性原理計算軟件包 11
2.2.1 VASP軟件包 11
2.2.2 Materials Studio軟件包 12
2.2.3 QE軟件包 12
2.3 電子結構性質 13
2.3.1 能帶結構與帶隙 13
2.3.2 態密度 14
參考文獻 15
第3章 光催化水解析氫二維結構設計基本方法和原則 16
3.1 穩定性判斷方法 16
3.1.1 單層結構內聚能與異質結形成能 16
3.1.2 聲子譜計算 16
3.1.3 分子動力學模擬 18
3.1.4 力學穩定性 20
3.2 光學性質與載流子遷移率 23
3.3 光催化水解析氫帶邊帶隙條件 24
3.4 二維結構全光解水效率計算 28
3.4.1 單層結構太陽能轉氫/轉燃料率計算方法 28
3.4.2 二維異質結的太陽能轉氫效率 30
3.5 載流子遷移的非絕熱分子動力學模擬 31
3.6 全光解水析氫和析氧反應熱力學可行性 32
參考文獻 35
第4章 光催化全光解水二維結構設計 39
4.1 單層及其原子摻雜結構設計 39
4.1.1 AgInP2S6及其摻雜單層的結構 39
4.1.2 Bi2Se3及其As、Sb、Ga、In、Tl摻雜單層的結構和性質 43
4.2 納米帶 67
4.2.1 鹵素原子邊緣鈍化的Sb納米帶 67
4.2.2 石墨烯納米帶的幾何構型、穩定性和電子結構性質 73
4.2.3 邊緣調控GeC納米帶光催化性質 82
4.3 高通量計算預測單層結構 89
4.3.1 Bi2Se3單層異構體 89
4.3.2 Ga2S3單層異構體 98
4.4 單原子摻雜表面結構設計 105
4.5 異質結 112
4.5.1 AuSe/SnS異質結結構設計 112
4.5.2 二維Sc2CCl2/SiS2異質結結構、光學性質和載流子遷移率 115
4.5.3 PtTe2/Sb2S3異質結的幾何結構和穩定性 119
參考文獻 123
第5章 光催化水解析氫方案構建 132
5.1 單層結構光催化全光解水析氫 132
5.1.1 TeX(X=Si, Ge, Sn)單層 132
5.1.2 BiMP6(M=Al，Ga，In)單層 137
5.2 雙層異質結的直接Z型全光解水析氫方案 141
5.2.1 HfS2/SiSe異質結 142
5.2.2 RuI2/Sb2S3異質結 149
5.2.3 PtI2/Bi2X3(X=S, Se,Te)異質結 156
5.2.4 PtTe2/Sb2S3異質結 170
5.3 傳統Ⅱ型載流子遷移機制的異質結光催化水解析氫方案 178
5.4 三層異質結雙Z型全光解水析氫方案 184
5.5 納米帶異質結全光解水析氫方案 197
參考文獻 202
第6章 應變工程調控效應 208
6.1 應變工程對單層的調控效應 209
6.1.1 應變工程對BiMP6(M=Al，Ga，In)單層的電子結構性質和光學性質的
影響 209
6.1.2 應變工程調控SiCP4單層的太陽能轉氫效率 212
6.1.3 應變工程對XBiSe3(X=As, Sb)單層的調控效應 224
6.1.4 應變工程對ZBiSe3(Z=Ga，In，Tl)單層的調控效應 227
6.2 二維異質結光催化析氫中的應變工程效應 229
6.2.1 二維AuSe/SnSe異質結光催化析氫中的應變工程效應 229
6.2.2 HfSe2/GaAs3和ZrSe2/GaAs3異質結全光解水的應變工程調控 241
6.2.3 PtI2/Bi2Y3(Y=S, Se)異質結太陽能轉氫效率和應變工程 246
6.2.4 PtTe2/Sb2S3異質結太陽能轉氫效率和應變工程調控效應 249
參考文獻 251
第7章 光解水反應中載流子轉移的非絕熱分子動力學模擬 255
7.1 單層光催化水解析氫及載流子轉移非絕熱動力學 255
7.2 二維異質結光催化水解析氫載流子轉移非絕熱動力學 262
7.2.1 CrS3/GeSe異質結中的光生載流子動力學 262
7.2.2 SiSe/SnSe2和SiSe/SnSSe異質結中的載流子動力學 271
7.3 三層異質結光催化中的光生載流子動力學 281
7.4 一維納米帶異質結光催化中的載流子轉移非絕熱動力學 286
參考文獻 287
第8章 光催化水解析氫反應的熱力學可行性 291
8.1 單層全光解水的熱力學可行性 291
8.2 異質結全光解水的熱力學可行性 295
8.2.1 AuSe/SnS異質結析氫反應吉布斯自由能 295
8.2.2 PtI2/Bi2A3(A=S, Se)異質結全光解水熱力學可行性 296
8.2.3 PtTe2/Sb2S3異質結全光解水析氫的熱力學可行性 299
8.3 石墨烯納米帶的析氫和析氧反應熱力學可行性 303
8.4 二氧化碳降解反應吉布斯自由能計算 305
8.4.1 SiCP4異構體光催化CO2降解反應 306
8.4.2 HfSe2/GaAs3和ZrSe2/GaAs3異質結光催化降解CO2的熱力學可行性 308
8.5 pH調控 310
參考文獻 312