MoS2基范德华异质结光催化剂的第一性原理研究

摘要

近年来，利用太阳能的半导体光催化技术制备氢气在科学和工业领域得到了广泛关注。二维材料二硫化钼(MoS2)因具有优异的电子性能、光学性能、机械性能及热学性能，在光催化制氢领域具有很好的应用前景。然而，二硫化钼需要共催化剂才能实现在太阳光下光催化水分解制备氢气，而构建二硫化钼基异质结是提供共催化的有效方法，可以有效地提高光催化效率，对光催化材料领域的研究有重要意义。
　　本文采用基于密度泛函理论的第一性原理方法，对MoS2基范德华异质结的晶体结构、电子结构、光催化性能等展开了系统的研究。论文主要内容如下:
　　（一）寻找几种可能与单层MoS2构成范德华异质结的单层材料，使用基于密度泛函的第一性原理计算方法，研究它们的晶体结构和电子结构。研究发现单层MoSe2、WS2、 AlN、GaN晶格常数与单层MoS2具有较小的错配度，可以与单层MoS2构成范德华异质结。据此，构建了四种MoS2基范德华异质结，发现这些范德华异质结都有几种不同的结构，通过研究它们的结合能，分别确定了四种范德华异质结的最稳定结构。通过研究四种最稳定结构的形成能和层与层之间的键能，证实了它们都是能量稳定的并且具有范德华键合属性。
　　（二）研究了四种最稳定结构的范德华异质结的电子结构，发现只有MoS2/AlN(GaN)范德华异质结是适合作为在可见光下光催化水分解制氢的高效催化剂。对MoS2/AlN(GaN)范德华异质结的光催化性能研究表明，相比于其他光催化剂，MoS2/AlN(GaN)范德华异质结可以在不同层的表面产生氢气和氧气。在光催化过程中，光激发电子从AlN(GaN)转移至MoS2，实现了电子和空穴的有效分离。同时，计算光吸收谱表明这两个范德华异质结在可见光照射下光催化性能有显著的提高，为设计水分解光催化剂提供一种新的方式。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 光催化制氢材料的研究背景

1．3 半导体光催化简介

1．3．1 半导体光催化制氢的基本原理

1．3．2 半导体光催化制氢的影响因素

1．3．3 半导体异质结在光催化制氢中的应用

1．4 二硫化钼材料简介

1．4．1 二硫化钼的结构

1．4．2 二硫化钼的性质

1．4．3 二硫化钼在光催化制氢领域的应用

1．5 范德华异质结简介

1．6 本论文的研究内容

第二章 第一性原理计算方法介绍

2．1 引言

2．2 量子力学理论

2．2．1 薛定谔方程与多体问题

2．2．2 波恩-奥本海默方程与哈特里-福克方程

2．3 密度泛函理论基础

2．3．1 Thomas-Fermi-Dirac近似

2．3．2 Hohenberg-Kohn定理

2．3．3 Kohn-Sham方程

2．4 交换关联泛函

2．4．1 局域密度近似

2．4．2 广义梯度近似

2．4．3 范德瓦尔斯修正

2．4．4 杂化泛函

第三章 MoS2基范德华异质结晶体结构的第一性原理研究

3．1 引言

3．2 计算方法

3．3 单层MoS2和其他单层MX2、YN的晶体结构和电子结构

3．3．1 单层MoS2和MX2、YN的晶体结构

3．3．2 单层MoS2、MX2和YN的电子结构

3．4 MoS2基范德华异质结的晶体结构

3．4．1 MoS2／MoSe2(WS2)范德华异质结的晶体结构

3．4．2 MoS2／AlN(GaN)范德华异质结的晶体结构

3．5 本章小结

第四章 MoS2基范德华异质结作为光催化剂的第一性原理研究

4．1 引言

4．2 计算方法

4．3 MoS2基范德华异质结的电子结构

4．3．1 MoS2／MoSe2(WS2)范德华异质结的电子结构

4．3．2 MoS2／Al(GaN)范德华异质结的电子结构

4．4 MoS2／Al(GaN)范德华异质结的光催化性能

4．4．1 能带分解电荷密度和异质结催化机理

4．4．2 光学性质

4．6 本章小结

结论

参考文献

致谢

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