【摘 要】
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通过高效、经济的光催化分解水将太阳能转化为清洁和可再生的氢气,理论上只需要催化剂、水和太阳能,这被认为是解决环境和能源问题的最有效方法之一。在催化材料的选择中,二维光催化材料由于具备大量的可吸附位点和高效的载流子传输效率而得到了越来越多的关注。然而,尽管理论上已经预测了很多二维光催化材料,但仍然面临着很多问题,比如稳定性和催化效率。如何解决这些问题是当前研究的主要方向。本文将根据第一性原理计算方法
【基金项目】
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国家重点研发计划项目“百千瓦级燃料电池电堆及辅助系统部件测试技术开发及样机工程化应用”（项目编号2018YFB1502700）；
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通过高效、经济的光催化分解水将太阳能转化为清洁和可再生的氢气,理论上只需要催化剂、水和太阳能,这被认为是解决环境和能源问题的最有效方法之一。在催化材料的选择中,二维光催化材料由于具备大量的可吸附位点和高效的载流子传输效率而得到了越来越多的关注。然而,尽管理论上已经预测了很多二维光催化材料,但仍然面临着很多问题,比如稳定性和催化效率。如何解决这些问题是当前研究的主要方向。本文将根据第一性原理计算方法,以GeP3以及新型TlPt2S3二维材料为基础,通过氮原子掺杂替换改性的方式,研究体系的结构、电子和光催化特性。（1）通过N原子掺杂对GeP3单层的电子结构和光催化性能进行调控。GeP3单层具有较好的载流子迁移率和在红外光区域内较高的光吸收。然而,GeP3单层在可见光区域内的光吸收较弱,加之带边分布的不合理,实际光催化效果可能不如预期。因此,在GeP3单层的基础上进行了不同比例的N掺杂。N掺杂的GeP3单层显示出合适的带隙、优异的可见光吸收性能和载流子迁移率,在一定条件下可以实现光催化析氢。（2）提出了一种新型二维三元金属硫化物TlPt2S3,并且详细研究了单层和双层TlPt2S3的结构稳定性、电子和光催化特性。单层和双层TlPt2S3是稳定的二维间接带隙半导体材料,表现出相当优异的电子迁移率和光吸收系数,在一定条件下可以实现光催化析氢或者析氧。（3）在单层TlPt2S3基础上对Tl原子进行N原子替换,得到了另一种新型的二维单层材料NPt2S3。NPt2S3单层是一种双极阴离子铁磁性半导体,并且它的结构是合理的并且热稳定的。与TlPt2S3单层相比,NPt2S3单层表现出同样的可见光吸收能力和更高的电子迁移率,在一定条件下可以自发实现光催化分解水的过程。
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