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目前,能源枯竭和环境污染是人类发展亟待解决的两大问题,寻找绿色清洁能源和发展高效的污染治理技术已引起世界各国的高度关注和重视。半导体光催化技术因其具有绿色、无二次污染和节能等优势,已成为目前最有发展潜力的解决环境恶化和能源危机的技术之一。半导体光催化技术的核心是光催化材料,然而,目前的光催化材料存在太阳能利用率低和量子效率低等不足。因此,研发性能优异的新型光催化材料成为目前凝聚态物理等领域的重要挑战。由于具有独特的几何结构和特殊的电子性质,富勒烯及其复合纳米材料在光催化领域展现了广阔的应用前景。本文运用基于密度泛函理论的第一性原理计算研究了富勒烯/半导体纳米复合材料的电子结构和光学性质,探究了其在光催化领域的潜在应用。主要研究结果如下:(1)系统研究了四种富勒烯(C20、Li@C20、C26和Li@C26)与Ag3PO4复合材料优异的光催化活性和稳定性。结果表明,与纯的Ag3PO4相比,富勒烯/Ag3PO4(100)纳米复合材料具有更小的带隙(1.92、2.04、0.78和0.66 eV),拓展了其吸收光谱至整个可见光区,甚至红外区。富勒烯C26(Li@C26)修饰的Ag3PO4(100)复合材料界面形成了 II类异质结,有利于光生电子-空穴对的分离,从而提高了其光催化活性。当Li原子内嵌入C20(C26)时,Li原子失去电子给C20(C26),从而增强了C20(C26)分子间的静电相互作用力,提高了 Ag3PO4的光催化活性和稳定性。这些结果为研发高效的基于磷酸银或者富勒烯的光催化材料提供了理论依据。(2)以二硫化钼为例,系统研究了界面相互作用对二维材料过渡金属硫化物/富勒烯的电子结构和光学性质的影响。分析表明,二硫化钼/富勒烯异质结具有可见光吸收范围的小带隙(1.75、0.41和0.85 eV),且二硫化钼和富勒烯C20形成电子-空穴对有效分离的II类异质结,有利于增强其光催化活性;同时MoS2/C20复合材料还具有氧化水产生氧气或者氧化有机物的能力。这些结果对推动二维材料纳米复合光催化材料的设计具有指导意义。(3)研究了小富勒烯B12和C20非共价修饰对单层二维材料WS2(MoS2)电子结构和光活性的调控。结果显示,富勒烯修饰可使其带隙减小(1.31、1.45和0.93 eV),增强对可见光的吸收,提高WS2(MoS2)的光催化活性。富勒烯具有很强的电子亲和力,导致复合体系中电子和空穴不易复合,且可形成有利于光催化活性的II类异质结。研究结果在二维材料和富勒烯的光催化应用领域提供新颖的见解,也为设计新的二维材料异质结提供设计思路。