开发清洁可再生能源对于解决目前的能源短缺和环境污染问题具有重大意义。氢气作为一种二次能源,具有燃烧热值高、环境友好、来源广泛等优点,被视为化石能源的理想替代能源。利用太阳光通过光催化反应将水分解为氢气和氧气为缓解能源危机和解决环境问题提供了一种有效的处理方案。然而,传统的氧化物、硫化物等三维光解水催化剂仍然面临着光生电子和空穴容易复合、可见光利用率低、带边位置无法满足分解水的氧化还原电位等问题。二维纳米材料因为具有独特的几何结构和电子学性质,被认为是构筑高效光解水催化剂的理想选择。随着理论计算方法的不断完善和计算水平的不断提高,不仅新材料的发现时间被大大缩短,人们还可以对其电子学结构进行较为准确的描述。因此,通过理论计算设计高效的二维光解水催化剂已经成为可能,有望为实验制备指明方向。在本论文中,我们利用密度泛函理论计算(DFT)设计了几种二维层状纳米材料,并系统的研究了它们的电学性质、光学性质以及光解水催化性能。主要的研究成果如下:(1)通过计算设计了一种具有α-As结构的二维GeTe单层材料。该材料具有较好的稳定性,并且可以由体相材料通过机械剥离的方法制备。GeTe单层材料具有满足光解水条件的合适带边位置、显著的可见光吸收效率和较高的载流子迁移率,有望作为一种高效的二维光解水催化剂。通过施加横向应力可以有效的调节GeTe单层的带隙和带边位置,并进一步增强其光解水性能。此外,GeTe单层对于水分子具有较强的吸附作用,有利于表面水解反应。因此,该研究不仅提供了设计二维单层光解水催化剂的前瞻性思路,而且提出在二维单层材料中引入应变来提高光催化剂性能的策略。(2)体相NbS2Cl2材料具有理想的光学带隙和水稳定性,然而由于光生载流子易复合等问题制约了其在光解水领域的应用。我们构建了少数层的二维NbS2Cl2材料,并系统研究了其光解水性能。由于具有较小的剥离能,少数层NbS2Cl2材料可以很容易的从其体相结构中剥离得到。单层,双层和三层厚度的NbS2Cl2材料不仅具有捕获可见光的合适带隙,而且它们的带边位置满足水解反应的电势需求,是合适的光解水催化剂。此外,NbS2Cl2单层具有明显不同的电子和空穴迁移率,有利于光生电子和空穴的分离。因此,二维NbS2Cl2单层材料可以作为光解水催化剂的潜在候选者。(3)我们通过密度泛函理论对实验上合成的一种层状材料α-PdSeO3进行系统研究。计算发现其具有非常小的剥离能,因此实验上很容易通过机械或者液相剥离方法得到α-PdSeO3单层材料。计算表明α-PdSeO3单层具有合适的带隙,并对可见光和紫外光具有相当强的吸收能力。特别的是,α-PdSeO3单层材料的价带和导带的位置包裹了水的氧化还原电势,其光生电子和空穴可以提供足够的驱动力使得析氢和析氧两个半反应可以在不同的活性位点上自发进行。因此,α-PdSeO3单层材料可以在无需添加牺牲剂和助催化剂的情况下实现光催化全解水。该项研究工作将极大地促进α-PdSeO3以及相关二维全解水光催化剂的研究与应用。(4)PdSeO3材料存在另外一种β相(β-PdSeO3),该材料具有与α-PdSeO3材料相类似的剥离能(0.41 J/m2),表明也可以从其块体材料剥离出单层材料。β-PdSeO3单层材料具有良好的动力学和热力学稳定性。与αα-PdSe03单层材料相比,β-PdSeO3单层材料是具有2.25 eV的直接带隙半导体,并且在紫外光和可见光区域有着显著的光捕获能力。此外,β-PdSeO3单层带边位置也刚好包裹水的氧化还原电位,并且光生电子可以提供足够驱动力来使得析氢反应自发进行。