随着石墨烯在实验中成功制备以来,二维材料引起了科研工作者的广泛关注。其原子级别厚度的结构特点,使得这种材料同三维块体材料相比,具有更好的物理化学性质。截至目前为止,理论和实验上已经成功预测并制备了诸多二维结构体系,比如过渡金属硫族化合物、黑磷、硅烯、锗烯以及MXene结构等。这些二维材料体系被广泛应用于光学、磁学、自旋电子学以及纳米材料器件等领域,并表现出了重要的科学和应用价值。特别在新能源的生产和转化等领域,更是体现出了二维材料的优越性。比如在光催化中,由于维度的降低,载流子会更快地迁移到半导体材料的表面,因此具有更快的迁移速率,这就大大减小了载流子的复合率,提高了材料的光催化效率。不仅如此,更大的比表面积使得二维材料通常具有比其块体结构更高的光催化以及电催化反应效率。此外,二维体系中高载流子迁移速率,能提高发生在太阳能电池中的光电转换效率。这些优良的性质为解决全球面临的环境污染和能源短缺等问题提供了新思路。在本论文中,我们借助于第一性原理计算,系统地研究了一系列二维材料的机械、电子和光学等性质,并通过一些修饰手法,比如原子吸附、构建异质结等,探究了其在光催化、电催化及太阳能电池中的潜在应用价值。本论文包含六章内容:第一章简要介绍二维材料光催化、电催化及其相关性质的研究现状和背景。第二章简要介绍基于密度泛函理论的第一性原理计算的基本理论、方法及相关计算软件等。第三章分节介绍了如何改性或者设计提高二维光催化材料的效率。第四章研究了基于Ti4X3(X=C,N)的MXene材料的本征电催化析氢性质。第五章通过构建异质结,探究了 HfTeSe4单层作为太阳能电池材料的应用潜力。第六章对本论文的主要内容和创新点做了总结,并对二维材料在光催化、电催化及太阳能电池研究方面做了展望。本论文的主要研究内容和结论如下:(1)探究了 Ag原子及其团簇吸附到MoS2表面对其光催化性能的调控作用。研究表明,Ag及其团簇能稳定地吸附到MoS2表面,通过Fukui函数能够发现,吸附的原子和团簇一般为其活性位点。此外,吸附会引起MoS2和Ag纳米粒子之间的电荷转移,因此能促进载流子的有效迁移,提高MoS2的光催化效率。而且吸附的Ag及其团簇能引入间隙态,这大大缩小了材料的带隙,使得MoS2对可见光的利用率明显增加。最后通过分析材料功函数的变化发现吸附体系功函数减小,表明MoS2表面活性增强,利于在其表面进行氧化还原反应。(2)通过构建横向异质结CdS/ZnSe,提高了单层CdS的光催化性能。研究发现,异质界面呈“armchair”走向的横向异质结是一个直接带隙的半导体。并且形成的Ⅱ型能带对齐方式有利于载流子的分离,并能防止其有效复合。而较高的载流子迁移率则保证了材料进行氧化还原反应的高效性。最后通过对比异质结体系的带边位置和分解水的氧化还原势,我们发现此种异质结不仅在强酸还是中性溶液环境中,均表现出了潜在的分解水析氢和产氧能力。该理论研究对于实验上设计相关的光催化体系提供了参考。(3)对于纵向异质结,也就是基于单层SnS和GeSe构建的范德华异质结,我们对其不同堆积构型形成的异质结进行了分析。结果表明这种体系对于不同类型的原子接触形成的异质结会形成不同方向的电荷转移,这主要取决于单层材料内建电场的方向。通过分析析氢和产氧半反应的自由能变化,我们发现基于Se-Ge-S-Sn排列顺序的异质结在可见光照射下能自发地进行氧化还原反应。这种具有本征偶极矩的材料相对来说还较少,因此该部分研究对实验上解释以及理论上设计类似体系提供了理论参考。(4)设计了一种基于Ⅲ-Ⅴ主族的单层硫族化合物构成的X-Ga-In-Y(X,Y=S,Se)材料。首先我们从动力学和热力学两个方面验证了这类体系的稳定性。通过施加电场我们发现这种Ⅲ-V族Jauns结构的能带色散关系不会随着施加电场的增加而改变。此外,通过施加应力我们发现相对拉伸应力,压缩应力对于这种材料的带边位置具有更好的调控作用,使其更满足于分解水的带边位置。最后以SeInGaS为例,我们探究了两个半反应的自由能变化,结果表明体系在可见光照射下,仅需很小的外界能量就能满足分解水的热力学要求,因此是一种潜在的可见光催化剂。(5)二维MXene结构作为一类新兴的明星材料广泛应用于催化、气敏器件、能量转换及存储器件的基本元件等领域。基于Ti4X3(X=C,N)结构的MXene体系,通过计算材料的Pourbaix图我们给出了该种体系在水溶液中的稳定结构,结果表明在标准情况(U=0 V,pH=0)下,这两种体系在水溶液中都是由O和OH混合饱和的,这就验证了我们计算的可行性。吉布斯自由能差值是表征材料析氢性能好坏的重要参数。我们通过对两种材料的吉布斯自由能变化分析发现,Ti4N302(Ti4C3O2)在H的覆盖率低(高)的条件下会有优良的析氢性能,而且我们计算得到的Ti4N3O2的限速势垒仅为30 meV,表明了其优良的本征析氢活性。我们将产生这种现象的根本原因归结于体系p带中心的变化。此外,我们通过施加双轴应力模拟了材料在水溶液中所受外力的情况,结果表明两种材料的催化活性保持了很好的稳定性,因此保证了 Ti4X3体系的本征电催化活性。(6)探索了单层HfTeSe4在光伏太阳能电池中的潜在应用价值。其相比于石墨烯的剥离能表明这是一个易于通过机械剥离法制备得到的单层材料。声子谱和分子动力学模拟分别从动力学和热力学角度证明了这种单层材料的结构稳定性。它具有合适的带隙值(1.48 eV),是一个直接带隙半导体材料,而且在可见光范围内其光吸收系数高达105 cm-1,这就表明了该材料在可见光范围内具有较好的利用率。通过与实验上已合成的Bi2W06单层构建异质结,我们计算了基于这种异质结的太阳能电池的光转换效率,大约为20.8%。这一研究为实验上制备低维太阳能电池材料提供了理论支持。