自TiO2电极在紫外光照射下实现水分解制氢,半导体光催化技术被认为是解决能源危机和减少次生环境最有效的途径之一。然而,其大的带隙和极低的太阳能利用率导致析氢能力有限。继TiO2等一系列氧化物光催化剂之后,二维光催化剂获得了广泛关注。其中,二维MXenes材料具有超高的载流子迁移率和合适的带隙,在光催化水分解领域展现出巨大的潜力。但是,二维MXenes的光生电子-空穴对极容易发生复合,严重抑制了在光催化水分解中的应用。基于二维材料构建异质结既能保持原有二维材料良好的电子性质,又能实现光生电子-空穴对在空间的分离。因此,探索具有良好物理化学性质的二维MXenes基异质结复合材料是很必要。目前,基于理论设计方法探索二维材料的电子和光学性质已经成为研究半导体材料和催化领域强有力的工具。本文基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,探索了几种新型的MXenes基二维异质结的电学、光学和动力学性质,并预测了其在光催化水分解领域的应用前景。本文主要研究内容如下:（1）设计了一种新的Hf2CO2/WS2异质结,并展现出优异的光催化水分解能力。通过结合能和从头算分子动力学（AIMD）模拟显示了其优异的环境稳定性。能带结构证实了Hf2CO2/WS2本征Ⅱ型异质结的特性,并且很好地满足了水分解反应中氧化还原能级的要求。从Hf2CO2到WS2发生的电荷转移将进一步诱导光生载流子分离,延长载流子寿命。良好的可见光吸收率(～6.3×10~5 cm-1)和极高的载流子迁移率(～2.2×10~3 cm~2 V-1s-1)也被发现,预示着异质结有足够的驱动力促使光生载流子在复合前迅速分离到不同的单层。根据吉布斯自由能计算,在外电势的作用下,HER和OER将自发触发,揭示了水在Hf2CO2/WS2异质结表面分解的热力学可行性。这些独特的特性赋予Hf2CO2/WS2异质结潜在的光催化水分解能力,为未来实验上制备高质量的MXenes基光催化剂提供了有效的途径。（2）系统地探索了AsP/M2CO2（M=Sc、Zr）范德华异质结在光催化水分解中的应用潜力。结果表明,AsP/Zr2CO2异质结具有不利的Ⅰ型能带排列,而AsP/Sc2CO2具有理想的Ⅱ型能带排列。后者十分有利于光生电子-空穴对的分离,并且带边位置跨越了水的氧化还原电位,确保了良好的反应动力学。AsP/Sc2CO2异质结在可见光和紫外区域良好的光吸收(尤其是在约250 nm处高达10-6 cm-1)使其能有效利用太阳能。AsP/Sc2CO2异质结的激子结合能低至0.09 e V,从数量上证实了光生载流子的高效分离。因此,AsP/Sc2CO2异质结的Ⅱ型能带排列、合适的能带边缘位置、较强的光吸收和较低的激子结合能共同表明AsP/Sc2CO2异质结是一种潜在的光催化材料。此外,通过施加应变,AsP/Sc2CO2异质结的光吸收谱中存在明显的红移现象,表明应变的调节可以提高光捕获能力。施加不同的应变也伴随着Ⅱ型和Ⅰ型异质结之间的相互转换。这些良好的性质表明AsP/Sc2CO2异质结在下一代光伏器件和光催化领域具有重要应用前景。（3）基于Ⅱ型异质结强氧化还原能力与光响应范围难以兼容的难题,设计出了一种高效的Sc2CF2/Janus MoSSe的Z-Scheme光催化剂。由Sc2CF2和Janus MoSSe的不同堆叠方式,可实现传统的Ⅱ型异质结转换为直接Z-scheme异质结。内电场和能带弯曲理论分析了光生载流子的跃迁路径,揭示了Ⅱ型和直接Z-scheme异质结完全不同的光催化机理。与Ⅱ型异质结相比,直接Z-scheme异质结显示出更高的析氢过电位(χH2=1.01 e V)和析氧过电位(χO2=1.46 e V)。同时,直接Z-scheme异质结具有超高的太阳能析氢（STH）效率（36.1%）,突破了传统理论效率的限制,显示出巨大的商业应用前景。自由能的计算证实了直接Z-scheme异质结的水分解反应在外电势下自发发生,对于Ⅱ型异质结则无法自发触发。此外,研究还引入额外的电子导体（N掺杂石墨烯）促进了电子（空穴）转移和层间载流子复合,进一步改善Z-scheme异质结的光催化性能。其研究结果可为制备高性能、稳定的Z-scheme水分解光催化剂奠定理论基础。