基于理論計(jì)算的二維光催化體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與性能調(diào)控探究

基于理論計(jì)算的二維光催化體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與性能調(diào)控探究一、引言1.1研究背景與意義在全球工業(yè)化進(jìn)程不斷加速的當(dāng)下，能源短缺與環(huán)境污染已然成為制約人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的兩大關(guān)鍵難題。隨著化石能源的過度開采與消耗，其儲(chǔ)量逐漸減少，供應(yīng)的穩(wěn)定性面臨挑戰(zhàn)，并且化石能源在燃燒過程中會(huì)釋放出大量如二氧化碳、二氧化硫等污染物，引發(fā)溫室效應(yīng)、酸雨等一系列環(huán)境問題，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)和人類健康造成嚴(yán)重威脅。據(jù)國際能源署（IEA）的數(shù)據(jù)顯示，過去幾十年間，全球能源消費(fèi)總量持續(xù)攀升，而傳統(tǒng)化石能源在能源結(jié)構(gòu)中仍占據(jù)主導(dǎo)地位，這使得能源與環(huán)境問題愈發(fā)尖銳。光催化技術(shù)作為一種綠色、可持續(xù)的技術(shù)，為解決能源與環(huán)境問題帶來了新的希望。它以半導(dǎo)體材料為基礎(chǔ)，利用光能驅(qū)動(dòng)化學(xué)反應(yīng)，在溫和條件下即可實(shí)現(xiàn)一系列重要的化學(xué)轉(zhuǎn)化。在能源領(lǐng)域，光催化水分解制氫被視為一種極具潛力的獲取清潔能源的途徑，能夠?qū)⑻柲苻D(zhuǎn)化為化學(xué)能儲(chǔ)存起來，為緩解能源危機(jī)提供可能；光催化二氧化碳還原可將溫室氣體二氧化碳轉(zhuǎn)化為有用的碳?xì)淙剂希瑢?shí)現(xiàn)碳資源的循環(huán)利用。在環(huán)境領(lǐng)域，光催化技術(shù)能夠有效降解有機(jī)污染物，如廢水中的染料、農(nóng)藥以及空氣中的揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOCs）等，還能用于殺菌消毒，保障水和空氣的質(zhì)量。自1972年Fujishima和Honda發(fā)現(xiàn)TiO?電極上的光催化分解水現(xiàn)象以來，光催化技術(shù)得到了廣泛的研究和發(fā)展，眾多新型光催化材料被不斷開發(fā)和探索。二維材料作為一類新興的材料，因其獨(dú)特的原子級(jí)厚度結(jié)構(gòu)，展現(xiàn)出與傳統(tǒng)三維材料截然不同的物理化學(xué)性質(zhì)，在光催化領(lǐng)域引起了廣泛關(guān)注并展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。二維材料具有極高的比表面積，這使得光催化反應(yīng)能夠在更大的界面上進(jìn)行，增加了反應(yīng)物與催化劑表面的接觸機(jī)會(huì)，從而提高反應(yīng)活性。二維材料中的原子排列方式使其具有獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)，光生載流子的遷移和復(fù)合行為與傳統(tǒng)材料有很大差異，有利于提高光生載流子的分離效率，延長其壽命，進(jìn)而提升光催化性能。例如，石墨烯作為典型的二維材料，具有優(yōu)異的電學(xué)性能和高載流子遷移率，能夠快速傳輸光生電子，有效抑制電子-空穴對(duì)的復(fù)合；過渡金屬硫化物如二硫化鉬（MoS?），其電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)會(huì)隨著層數(shù)的變化而改變，單層MoS?在室溫下具有較高的遷移率和開關(guān)電流比，在光催化析氫等反應(yīng)中表現(xiàn)出良好的性能。對(duì)二維光催化體系的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與性能調(diào)控展開深入的理論研究具有極其重要的意義。從基礎(chǔ)研究層面來看，二維光催化體系中光生載流子的產(chǎn)生、遷移、復(fù)合等微觀過程以及光催化反應(yīng)機(jī)理尚未完全明晰，深入的理論研究能夠?yàn)檫@些復(fù)雜過程提供原子和分子層面的理解，填補(bǔ)相關(guān)理論空白，豐富和完善光催化理論體系。在應(yīng)用研究方面，通過理論研究能夠從原子和電子結(jié)構(gòu)層面揭示材料結(jié)構(gòu)與光催化性能之間的內(nèi)在聯(lián)系，為新型二維光催化材料的設(shè)計(jì)和開發(fā)提供堅(jiān)實(shí)的理論指導(dǎo)。這有助于有目的地篩選和優(yōu)化材料，設(shè)計(jì)出具有更優(yōu)光催化性能的體系，提高光催化效率，降低成本，推動(dòng)光催化技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室研究向?qū)嶋H工業(yè)應(yīng)用的轉(zhuǎn)化進(jìn)程，為解決能源與環(huán)境問題提供更有效的技術(shù)手段和材料基礎(chǔ)，對(duì)實(shí)現(xiàn)人類社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展具有深遠(yuǎn)的影響。1.2二維光催化體系概述二維材料是指電子僅能在兩個(gè)維度的平面內(nèi)自由運(yùn)動(dòng)的材料，通常具有原子級(jí)別的厚度，一般僅有一層或幾層原子。這種獨(dú)特的原子級(jí)厚度結(jié)構(gòu)賦予了二維材料一系列與傳統(tǒng)三維材料截然不同的物理化學(xué)性質(zhì)。從結(jié)構(gòu)特征來看，二維材料由原子或分子通過共價(jià)鍵、離子鍵或范德華力等相互作用在二維平面上有序排列而成。以石墨烯為例，它是由碳原子以共價(jià)鍵的形式連接形成的六角形蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)，每個(gè)碳原子與周圍三個(gè)碳原子緊密相連，形成了穩(wěn)定且規(guī)則的二維平面結(jié)構(gòu)。這種平面結(jié)構(gòu)使得石墨烯具有極高的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和力學(xué)強(qiáng)度，同時(shí)為電子的傳輸提供了優(yōu)異的通道。再如過渡金屬硫化物二硫化鉬（MoS?），它由硫原子和鉬原子通過化學(xué)鍵相互連接形成三明治狀的結(jié)構(gòu)，即兩層硫原子夾著一層鉬原子，層與層之間通過較弱的范德華力相互作用。這種結(jié)構(gòu)使得MoS?在保持二維特性的同時(shí)，具有一定的層間可調(diào)控性，通過外力或化學(xué)處理等方式，可以實(shí)現(xiàn)層間的剝離或插層，從而改變其物理化學(xué)性質(zhì)。二維材料最顯著的特性之一是其高比表面積。由于二維材料只有原子級(jí)厚度，其表面原子占比極高，使得單位質(zhì)量的材料具有極大的比表面積。例如，石墨烯的理論比表面積可達(dá)2630m2/g，這意味著在相同質(zhì)量下，石墨烯能夠提供比傳統(tǒng)材料大得多的表面面積，為光催化反應(yīng)提供更多的活性位點(diǎn)。高比表面積使得反應(yīng)物分子能夠更充分地接觸催化劑表面，增加了反應(yīng)的機(jī)會(huì)，從而有效提高光催化反應(yīng)的活性和效率。二維材料的原子級(jí)厚度使其具有獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)。在二維材料中，電子的運(yùn)動(dòng)受到量子限域效應(yīng)的影響，其能帶結(jié)構(gòu)和電子態(tài)密度與三維材料有很大差異。例如，單層MoS?具有直接帶隙，而多層MoS?則表現(xiàn)為間接帶隙，這種帶隙的變化與層數(shù)密切相關(guān)，且直接影響材料的光吸收和光生載流子的產(chǎn)生。在光催化過程中，合適的帶隙結(jié)構(gòu)能夠有效地吸收特定波長的光，產(chǎn)生光生電子-空穴對(duì)。二維材料中原子間的強(qiáng)相互作用使得電子具有較高的遷移率，能夠快速地在材料內(nèi)部傳輸，減少了光生載流子的復(fù)合概率，有利于提高光催化效率。如石墨烯具有優(yōu)異的電學(xué)性能，其電子遷移率在室溫下可達(dá)15000cm2/（V?s），這使得光生電子能夠在石墨烯中快速傳輸，為光催化反應(yīng)提供了高效的電荷傳輸通道。在光催化領(lǐng)域，二維材料展現(xiàn)出諸多顯著優(yōu)勢。由于其高比表面積和獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)，二維材料能夠高效地吸收光能，產(chǎn)生大量的光生載流子。這些光生載流子在材料內(nèi)部具有良好的遷移特性，能夠迅速遷移到催化劑表面參與光催化反應(yīng)，有效抑制了光生載流子的復(fù)合，從而提高了光催化效率。二維材料的原子級(jí)厚度使得表面原子的活性得以充分發(fā)揮，能夠提供更多的活性位點(diǎn)，增強(qiáng)對(duì)反應(yīng)物分子的吸附和活化能力，進(jìn)一步促進(jìn)光催化反應(yīng)的進(jìn)行。二維材料在光催化領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用潛力。在光催化水分解制氫方面，如石墨烯修飾的TiO?光催化劑，石墨烯能夠快速傳輸光生電子，抑制電子-空穴對(duì)的復(fù)合，從而提高TiO?的光催化析氫活性；過渡金屬硫化物MoS?作為一種高效的光催化析氫助催化劑，其邊緣位點(diǎn)具有較高的催化活性，能夠促進(jìn)水的還原反應(yīng)生成氫氣。在光催化二氧化碳還原領(lǐng)域，二維材料可以通過與其他半導(dǎo)體材料復(fù)合，構(gòu)建異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)二氧化碳的有效吸附和活化，將其轉(zhuǎn)化為有用的碳?xì)淙剂?，如甲醇、甲烷等。二維材料在光催化降解有機(jī)污染物方面也表現(xiàn)出色，能夠有效地分解水中的染料、農(nóng)藥以及空氣中的揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOCs）等，實(shí)現(xiàn)環(huán)境凈化。1.3研究內(nèi)容與方法本研究聚焦于二維光催化體系，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與性能調(diào)控的角度展開深入的理論探究，旨在揭示其內(nèi)在機(jī)制，為光催化材料的優(yōu)化和應(yīng)用提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。在二維光催化體系的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論研究方面，首先對(duì)二維材料的晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入分析，包括常見的石墨烯、過渡金屬硫化物（如MoS?、WS?）、黑磷等典型二維材料的原子排列方式、晶格參數(shù)以及層間相互作用等。通過理論計(jì)算，探究不同晶體結(jié)構(gòu)對(duì)光生載流子遷移路徑的影響，分析原子排列的對(duì)稱性、周期性以及層間距離等因素如何改變光生載流子在材料內(nèi)部的傳輸特性，從而為優(yōu)化晶體結(jié)構(gòu)以提高光生載流子遷移效率提供理論指導(dǎo)。研究二維光催化體系的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。通過構(gòu)建不同二維材料之間的異質(zhì)結(jié)模型，如石墨烯與TiO?形成的異質(zhì)結(jié)、MoS?與黑磷構(gòu)成的異質(zhì)結(jié)等，運(yùn)用理論計(jì)算方法研究異質(zhì)結(jié)界面的電子結(jié)構(gòu)、能帶匹配情況以及電荷轉(zhuǎn)移特性。分析異質(zhì)結(jié)界面處的能帶彎曲、電子云分布變化等因素對(duì)光生載流子分離和傳輸?shù)挠绊?，探索如何通過選擇合適的二維材料組合以及優(yōu)化異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)光生載流子的高效分離和定向傳輸，提高光催化體系的整體性能。在二維光催化體系的性能調(diào)控理論研究中，重點(diǎn)關(guān)注缺陷對(duì)光催化性能的影響。通過引入不同類型的缺陷，如點(diǎn)缺陷（空位、間隙原子）、線缺陷（位錯(cuò)）以及面缺陷（層錯(cuò)）等，利用理論計(jì)算研究缺陷的形成能、缺陷態(tài)密度以及缺陷對(duì)材料電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)的影響。分析缺陷如何捕獲或釋放光生載流子，改變光生載流子的復(fù)合速率和遷移路徑，從而調(diào)控光催化反應(yīng)活性。研究如何通過精確控制缺陷的種類、濃度和分布，實(shí)現(xiàn)對(duì)光催化性能的有效調(diào)控，提高光催化效率。探究元素?fù)诫s對(duì)二維光催化體系性能的調(diào)控作用。選擇不同的摻雜元素，如在MoS?中摻雜金屬原子（如Fe、Co、Ni）或非金屬原子（如N、P、S），通過理論計(jì)算研究摻雜原子在二維材料晶格中的占位情況、摻雜能級(jí)的形成以及摻雜對(duì)材料電子結(jié)構(gòu)、光學(xué)性質(zhì)和催化活性位點(diǎn)的影響。分析摻雜如何改變材料的能帶結(jié)構(gòu)，調(diào)節(jié)光吸收范圍和光生載流子的產(chǎn)生效率，以及如何增強(qiáng)材料對(duì)反應(yīng)物分子的吸附和活化能力，從而提升光催化性能。本研究主要采用密度泛函理論（DFT）計(jì)算方法。密度泛函理論是基于量子力學(xué)原理，以電子密度作為基本變量來描述多電子體系基態(tài)性質(zhì)的理論方法。在計(jì)算過程中，通過構(gòu)建二維材料的原子模型，將體系的電子結(jié)構(gòu)問題轉(zhuǎn)化為求解Kohn-Sham方程。利用平面波贗勢方法，將電子與原子核之間的相互作用用贗勢來描述，從而簡化計(jì)算過程。通過自洽迭代求解Kohn-Sham方程，得到體系的電子密度分布、能帶結(jié)構(gòu)、態(tài)密度等重要信息，進(jìn)而深入分析二維光催化體系的結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系。采用分子動(dòng)力學(xué)模擬方法。分子動(dòng)力學(xué)模擬是一種基于經(jīng)典力學(xué)原理的計(jì)算方法，通過對(duì)原子間相互作用力的描述，模擬原子在一定溫度和壓力條件下的運(yùn)動(dòng)軌跡。在本研究中，利用分子動(dòng)力學(xué)模擬研究二維材料在光催化反應(yīng)過程中的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，分析原子的熱振動(dòng)、原子間的相對(duì)位移以及材料的變形等情況，探討溫度、光照等外界條件對(duì)二維材料結(jié)構(gòu)的影響，為光催化體系的實(shí)際應(yīng)用提供理論依據(jù)。結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證和分析也是本研究的重要方法。收集和整理已有的二維光催化體系的實(shí)驗(yàn)研究成果，包括材料的制備方法、光催化性能測試數(shù)據(jù)等。將理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證理論模型的準(zhǔn)確性和可靠性。通過對(duì)比，進(jìn)一步完善理論模型，深入理解實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象背后的物理化學(xué)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)驗(yàn)的相互促進(jìn)和補(bǔ)充，為二維光催化體系的研究提供更全面、深入的認(rèn)識(shí)。二、理論基礎(chǔ)與研究方法2.1密度泛函理論（DFT）密度泛函理論（DensityFunctionalTheory，DFT）是一種用于研究多電子體系電子結(jié)構(gòu)的量子力學(xué)方法，在現(xiàn)代材料科學(xué)和理論化學(xué)領(lǐng)域中占據(jù)著極為重要的地位。其核心思想是將多電子體系的基態(tài)能量表示為電子密度的泛函，從而將復(fù)雜的多電子問題轉(zhuǎn)化為相對(duì)簡單的以電子密度為變量的求解問題。在傳統(tǒng)的量子力學(xué)中，描述多電子體系需要求解包含眾多電子坐標(biāo)的薛定諤方程，其復(fù)雜性會(huì)隨著電子數(shù)目的增加而呈指數(shù)級(jí)增長，使得計(jì)算量極為龐大且難以處理。而DFT通過引入電子密度這一關(guān)鍵概念，繞過了對(duì)多電子波函數(shù)的直接求解，極大地簡化了計(jì)算過程。例如，對(duì)于一個(gè)包含N個(gè)電子的體系，其波函數(shù)依賴于3N個(gè)空間變量，而電子密度僅僅是三個(gè)空間變量的函數(shù)，這使得計(jì)算的維度大幅降低，在實(shí)際應(yīng)用中更具可行性。DFT的理論基礎(chǔ)主要基于Hohenberg-Kohn定理。Hohenberg-Kohn第一定理指出，對(duì)于一個(gè)處在外部勢場V_{ext}(r)中的多電子體系，其基態(tài)的電子密度n(r)與外部勢場V_{ext}(r)之間存在著一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，且體系的基態(tài)能量是電子密度的唯一泛函。這意味著只要確定了電子密度，就可以確定體系的基態(tài)能量以及其他相關(guān)性質(zhì)。Hohenberg-Kohn第二定理進(jìn)一步證明了，通過對(duì)以基態(tài)電子密度為變量的能量泛函進(jìn)行變分求解，使其達(dá)到最小值，就能夠得到體系的基態(tài)能量。在實(shí)際計(jì)算中，DFT通常通過Kohn-Sham方法來實(shí)現(xiàn)。Kohn-Sham方法將多電子體系中的相互作用進(jìn)行了巧妙的分解和處理。它將多電子體系中最復(fù)雜的多體相互作用（由于電子之間的庫侖相互作用而產(chǎn)生的）簡化為一個(gè)沒有相互作用的電子在有效勢場中運(yùn)動(dòng)的問題。這個(gè)有效勢場V_{eff}(r)包含了外部勢場V_{ext}(r)以及電子間庫侖相互作用的影響，其中電子間庫侖相互作用又進(jìn)一步分為經(jīng)典的庫侖作用（Hartree項(xiàng)）以及交換關(guān)聯(lián)作用。交換關(guān)聯(lián)作用描述了電子之間由于量子力學(xué)效應(yīng)導(dǎo)致的交換能和由于電子之間瞬時(shí)相互作用產(chǎn)生的關(guān)聯(lián)能，這部分作用難以精確求解，是Kohn-ShamDFT中的難點(diǎn)。目前，人們提出了多種近似方法來處理交換關(guān)聯(lián)能，其中最常用的近似方法包括局域密度近似（LocalDensityApproximation，LDA）和廣義梯度近似（GeneralizedGradientApproximation，GGA）。局域密度近似（LDA）是最早提出且較為簡單的一種近似方法。它假設(shè)體系中某點(diǎn)的交換關(guān)聯(lián)能密度只與該點(diǎn)的電子密度有關(guān)，并且采用均勻電子氣的交換能和相關(guān)能來近似實(shí)際體系的交換關(guān)聯(lián)能。在均勻電子氣中，交換能可以精確求解，相關(guān)能部分則通過對(duì)自由電子氣進(jìn)行擬合得到。LDA在一些簡單體系中能夠給出較為合理的結(jié)果，例如對(duì)于金屬體系，LDA能夠較好地描述電子的行為和體系的一些性質(zhì)。然而，LDA也存在一定的局限性，它忽略了電子密度的梯度變化對(duì)交換關(guān)聯(lián)能的影響，對(duì)于一些非均勻體系，如分子和表面體系，LDA的計(jì)算結(jié)果往往與實(shí)際情況存在較大偏差。廣義梯度近似（GGA）在LDA的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，它不僅考慮了電子密度的大小，還考慮了電子密度的梯度信息。GGA通過引入電子密度的梯度項(xiàng)來修正交換關(guān)聯(lián)能，使得計(jì)算結(jié)果在一定程度上更接近實(shí)際情況。相比于LDA，GGA在描述分子和表面體系等非均勻體系時(shí)表現(xiàn)出更好的性能，能夠更準(zhǔn)確地預(yù)測分子的幾何結(jié)構(gòu)、電子親和能、電離能等性質(zhì)。例如，在計(jì)算有機(jī)分子的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)時(shí)，GGA通常能夠給出與實(shí)驗(yàn)值更為吻合的結(jié)果。然而，GGA仍然存在一些不足之處，對(duì)于一些弱相互作用體系，如范德華相互作用體系，GGA的計(jì)算結(jié)果往往不夠準(zhǔn)確。為了進(jìn)一步提高對(duì)弱相互作用體系的描述能力，人們又發(fā)展了多種修正方法，如引入色散矯正項(xiàng)的DFT-D方法以及非局域混合交換關(guān)聯(lián)泛函（Hybridexchange-correlationfunctional）等。在計(jì)算材料電子結(jié)構(gòu)和性質(zhì)方面，DFT具有諸多顯著的優(yōu)勢。從計(jì)算效率角度來看，由于其將多電子問題簡化為以電子密度為變量的求解問題，大大降低了計(jì)算的復(fù)雜性，使得在處理較大的體系時(shí)也能夠在可接受的時(shí)間內(nèi)完成計(jì)算。與傳統(tǒng)的從頭算方法（如Hartree-Fock方法）相比，DFT在計(jì)算效率上具有明顯的優(yōu)勢，能夠處理包含更多原子的體系。在準(zhǔn)確性方面，盡管DFT采用了近似方法來處理交換關(guān)聯(lián)能，但在許多情況下，其計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值具有較好的一致性。例如，在預(yù)測材料的晶格常數(shù)、能帶結(jié)構(gòu)、電子態(tài)密度等性質(zhì)時(shí)，DFT能夠提供較為準(zhǔn)確的信息，為材料的設(shè)計(jì)和研究提供了有力的支持。通過DFT計(jì)算，能夠深入了解材料中電子的分布和行為，揭示材料的電子結(jié)構(gòu)與宏觀性質(zhì)之間的內(nèi)在聯(lián)系，從而指導(dǎo)新型材料的開發(fā)和性能優(yōu)化。在研究二維光催化材料時(shí)，DFT可以計(jì)算材料的能帶結(jié)構(gòu)，確定其帶隙大小和光吸收范圍，分析光生載流子的產(chǎn)生和遷移特性，為理解光催化反應(yīng)機(jī)理和提高光催化性能提供重要的理論依據(jù)。2.2常用計(jì)算軟件及參數(shù)設(shè)置在二維光催化體系的理論研究中，多種計(jì)算軟件被廣泛應(yīng)用，它們基于不同的算法和模型，為研究提供了多樣化的工具和手段。其中，VASP（ViennaAb-initioSimulationPackage）是一款基于密度泛函理論的平面波贗勢方法的計(jì)算軟件，在材料計(jì)算領(lǐng)域應(yīng)用極為廣泛。VASP能夠處理周期性邊界條件或超原胞模型下的原子、分子、團(tuán)簇、納米線、薄膜、晶體等多種體系，可用于計(jì)算材料的結(jié)構(gòu)參數(shù)（如鍵長、鍵角、晶格常數(shù)、原子位置等）、電子結(jié)構(gòu)（能級(jí)、電荷密度分布、能帶、電子態(tài)密度等）、光學(xué)性質(zhì)、磁學(xué)性質(zhì)以及晶格動(dòng)力學(xué)性質(zhì)等。例如，在研究二維光催化材料的電子結(jié)構(gòu)時(shí)，VASP可以精確計(jì)算其能帶結(jié)構(gòu)，確定帶隙大小，為理解光生載流子的產(chǎn)生和遷移提供關(guān)鍵信息。在使用VASP進(jìn)行計(jì)算時(shí)，一些關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)置對(duì)計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性和計(jì)算效率有著重要影響。平面波基組截?cái)嗄埽‥NCUT）是一個(gè)極為重要的參數(shù)，它決定了平面波基組展開的精度。ENCUT的值越大，平面波基組對(duì)電子波函數(shù)的描述就越精確，但同時(shí)計(jì)算量也會(huì)顯著增加。一般來說，對(duì)于大多數(shù)二維材料體系，ENCUT的取值在400-600eV之間較為合適。在研究石墨烯時(shí)，當(dāng)ENCUT設(shè)置為500eV時(shí)，能夠較好地收斂電子結(jié)構(gòu)，得到準(zhǔn)確的能帶和態(tài)密度結(jié)果。結(jié)構(gòu)優(yōu)化力精度（EDIFFG）也是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，它用于控制離子弛豫過程中的收斂標(biāo)準(zhǔn)。EDIFFG的值通常設(shè)置為-0.01--0.001eV/?，該值越小，結(jié)構(gòu)優(yōu)化越精確，但優(yōu)化所需的時(shí)間也會(huì)更長。對(duì)于二維光催化材料的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，將EDIFFG設(shè)置為-0.01eV/?，可以在保證一定精度的前提下，提高計(jì)算效率。另一個(gè)常用的計(jì)算軟件是MaterialsStudio中的CASTEP模塊。CASTEP同樣基于密度泛函理論，采用平面波贗勢方法，能夠?qū)Σ牧系木w結(jié)構(gòu)、電子性質(zhì)、光學(xué)性質(zhì)等進(jìn)行計(jì)算。與VASP相比，CASTEP具有更友好的圖形用戶界面，便于初學(xué)者上手操作。在計(jì)算二維材料的光學(xué)性質(zhì)時(shí)，CASTEP可以通過設(shè)置相關(guān)參數(shù)，準(zhǔn)確計(jì)算材料的光吸收系數(shù)、折射率等光學(xué)參數(shù)。在研究二維過渡金屬硫化物的光吸收特性時(shí)，利用CASTEP能夠清晰地展示其在不同波長下的光吸收情況，為光催化性能的分析提供依據(jù)。在CASTEP計(jì)算中，也有一些重要的參數(shù)需要合理設(shè)置。平面波基組截?cái)嗄茉贑ASTEP中同樣起著關(guān)鍵作用，其取值范圍與VASP類似，通常也在400-600eV之間。k點(diǎn)網(wǎng)格設(shè)置是影響計(jì)算精度和效率的另一個(gè)重要因素。對(duì)于二維材料，一般采用Monkhorst-Pack方法生成k點(diǎn)網(wǎng)格。在計(jì)算石墨烯的電子結(jié)構(gòu)時(shí)，采用3×3×1的k點(diǎn)網(wǎng)格能夠較好地收斂結(jié)果，隨著k點(diǎn)網(wǎng)格的加密，如采用5×5×1的k點(diǎn)網(wǎng)格，計(jì)算結(jié)果會(huì)更加精確，但計(jì)算時(shí)間也會(huì)相應(yīng)增加。2.3結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建在二維光催化體系的理論研究中，合理構(gòu)建結(jié)構(gòu)模型是深入探究其性能和反應(yīng)機(jī)理的基礎(chǔ)。不同維度的二維光催化體系結(jié)構(gòu)模型，包括單層、多層及異質(zhì)結(jié)構(gòu)模型，各具特點(diǎn)和構(gòu)建方法。2.3.1單層結(jié)構(gòu)模型單層二維材料由于其原子級(jí)的厚度，展現(xiàn)出獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)，是二維光催化體系研究的基礎(chǔ)模型。以石墨烯為例，其原子結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出由碳原子通過共價(jià)鍵連接形成的六角形蜂窩狀晶格。在構(gòu)建石墨烯單層結(jié)構(gòu)模型時(shí)，通?；谄渚w結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，采用周期性邊界條件來模擬無限大的二維平面。在VASP軟件中，首先需要確定晶胞參數(shù)，石墨烯的晶格常數(shù)a=b≈2.46?，通過在POSCAR文件中準(zhǔn)確輸入這些參數(shù)，定義碳原子的坐標(biāo)位置，以構(gòu)建出準(zhǔn)確的石墨烯單層結(jié)構(gòu)模型。在計(jì)算過程中，為了避免層間相互作用的干擾，通常在垂直于二維平面的方向上添加足夠厚的真空層，一般設(shè)置為15-20?，以確保在計(jì)算過程中相鄰層之間的相互作用可以忽略不計(jì)。對(duì)于過渡金屬硫化物MoS?，其單層結(jié)構(gòu)由兩層硫原子夾著一層鉬原子通過化學(xué)鍵相互連接而成。在構(gòu)建MoS?單層結(jié)構(gòu)模型時(shí)，同樣要精確確定其晶胞參數(shù)，MoS?的晶格常數(shù)a=b≈3.16?，在POSCAR文件中按照其原子排列方式準(zhǔn)確設(shè)置鉬原子和硫原子的坐標(biāo)。利用VASP進(jìn)行計(jì)算時(shí)，設(shè)置合適的平面波基組截?cái)嗄埽ㄈ鏓NCUT設(shè)置為500eV）以及k點(diǎn)網(wǎng)格（如采用3×3×1的k點(diǎn)網(wǎng)格），以保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。通過對(duì)MoS?單層結(jié)構(gòu)模型的計(jì)算，可以得到其電子結(jié)構(gòu)、能帶結(jié)構(gòu)以及態(tài)密度等信息，深入了解其光催化性能的內(nèi)在機(jī)制。2.3.2多層結(jié)構(gòu)模型多層二維材料結(jié)構(gòu)模型能夠研究層間相互作用對(duì)光催化性能的影響，其構(gòu)建方法在單層結(jié)構(gòu)模型的基礎(chǔ)上有所擴(kuò)展。以多層石墨烯為例，隨著層數(shù)的增加，層與層之間通過較弱的范德華力相互作用。在構(gòu)建多層石墨烯結(jié)構(gòu)模型時(shí)，需要考慮層間的堆疊方式，常見的有AB堆疊和AA堆疊等。以AB堆疊的雙層石墨烯結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建為例，在VASP計(jì)算中，先構(gòu)建好單層石墨烯結(jié)構(gòu)，然后按照AB堆疊的方式在垂直方向上添加第二層石墨烯，調(diào)整兩層之間的相對(duì)位置和層間距，使其符合實(shí)驗(yàn)或理論值，通常雙層石墨烯的層間距約為3.35?。同樣，在垂直于二維平面方向添加足夠厚的真空層（如15-20?），并合理設(shè)置計(jì)算參數(shù)，如平面波基組截?cái)嗄埽‥NCUT）和k點(diǎn)網(wǎng)格等。通過對(duì)多層石墨烯結(jié)構(gòu)模型的計(jì)算，可以分析層間相互作用對(duì)電子結(jié)構(gòu)和光生載流子傳輸?shù)挠绊懀接憣訑?shù)對(duì)光催化性能的調(diào)控作用。對(duì)于多層MoS?結(jié)構(gòu)模型，層間同樣存在范德華力作用。在構(gòu)建多層MoS?結(jié)構(gòu)模型時(shí)，除了考慮層間的堆疊方式，還需要注意層間的相對(duì)旋轉(zhuǎn)角度對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和性能的影響。例如，在構(gòu)建三層MoS?結(jié)構(gòu)模型時(shí)，通過調(diào)整層間的相對(duì)旋轉(zhuǎn)角度，可以改變層間的電子耦合強(qiáng)度，進(jìn)而影響光生載流子的遷移和復(fù)合。利用VASP進(jìn)行計(jì)算時(shí)，通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)，使體系能量達(dá)到最低，得到穩(wěn)定的多層MoS?結(jié)構(gòu)模型。通過對(duì)多層MoS?結(jié)構(gòu)模型的研究，可以深入了解層間相互作用如何影響光催化反應(yīng)過程中的電荷轉(zhuǎn)移和能量傳遞，為提高M(jìn)oS?基光催化劑的性能提供理論依據(jù)。2.3.3異質(zhì)結(jié)構(gòu)模型二維光催化體系的異質(zhì)結(jié)構(gòu)模型是將兩種或多種不同的二維材料組合在一起，形成具有獨(dú)特性能的復(fù)合結(jié)構(gòu)，其構(gòu)建過程更為復(fù)雜，需要考慮多種因素。以石墨烯與TiO?形成的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)模型為例，首先要分別構(gòu)建好石墨烯和TiO?的結(jié)構(gòu)模型。對(duì)于TiO?，常見的晶體結(jié)構(gòu)有銳鈦礦型和金紅石型，以銳鈦礦型TiO?為例，其晶胞參數(shù)a=b≈3.78?，c≈9.51?，在POSCAR文件中準(zhǔn)確設(shè)置Ti原子和O原子的坐標(biāo)。然后，將石墨烯與TiO?按照一定的方式進(jìn)行組合，構(gòu)建異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。在構(gòu)建過程中，需要考慮界面的匹配情況，由于石墨烯和TiO?的晶格常數(shù)存在差異，可能會(huì)導(dǎo)致界面處存在一定的晶格失配。為了減小晶格失配的影響，可以通過引入界面層或調(diào)整界面原子的排列方式來優(yōu)化界面結(jié)構(gòu)。在VASP計(jì)算中，設(shè)置合適的交換關(guān)聯(lián)泛函（如采用廣義梯度近似GGA中的PBE泛函），以準(zhǔn)確描述異質(zhì)結(jié)界面的電子相互作用。通過對(duì)石墨烯/TiO?異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)模型的計(jì)算，可以研究界面處的電荷轉(zhuǎn)移、能帶彎曲以及光生載流子的分離和傳輸特性，揭示異質(zhì)結(jié)構(gòu)對(duì)光催化性能的增強(qiáng)機(jī)制。再如MoS?與黑磷構(gòu)成的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)模型，黑磷具有正交晶系結(jié)構(gòu)，其晶胞參數(shù)a≈3.31?，b≈4.38?，c≈10.50?，在構(gòu)建黑磷結(jié)構(gòu)模型時(shí)要準(zhǔn)確設(shè)置原子坐標(biāo)。當(dāng)與MoS?構(gòu)建異質(zhì)結(jié)時(shí)，需要考慮兩種材料的相對(duì)取向和界面結(jié)合方式。通過調(diào)整MoS?和黑磷的相對(duì)位置和角度，找到能量最低的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。在計(jì)算過程中，利用VASP軟件設(shè)置合適的計(jì)算參數(shù)，如平面波基組截?cái)嗄埽‥NCUT）和k點(diǎn)網(wǎng)格等。通過對(duì)MoS?/黑磷異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)模型的研究，可以分析兩種材料之間的協(xié)同作用，探究如何通過優(yōu)化異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)來提高光生載流子的分離效率和光催化活性，為設(shè)計(jì)高性能的二維光催化異質(zhì)結(jié)構(gòu)提供理論指導(dǎo)。三、二維光催化體系的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.1單層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.1.1常見二維光催化材料的單層原子結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)二維光催化材料的單層原子結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)對(duì)其光催化性能起著決定性作用。以MoS?為例，其單層結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出獨(dú)特的三明治狀，由兩層硫原子緊密包裹著一層鉬原子。在這種結(jié)構(gòu)中，鉬原子與周圍的硫原子通過共價(jià)鍵相互連接，形成了穩(wěn)定的二維平面。這種原子排列方式使得MoS?具有較高的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。從電子結(jié)構(gòu)角度來看，單層MoS?具有直接帶隙，約為1.8eV，這一特性使其能夠有效地吸收可見光，產(chǎn)生光生電子-空穴對(duì)。MoS?的邊緣位點(diǎn)具有較高的催化活性，在光催化析氫反應(yīng)中，這些邊緣位點(diǎn)能夠提供豐富的活性中心，促進(jìn)氫原子的吸附和還原，從而提高析氫效率。WS?的單層原子結(jié)構(gòu)與MoS?類似，同樣由兩層硫原子和一層鎢原子組成。WS?的晶格常數(shù)略大于MoS?，其a=b≈3.15?，這種晶格參數(shù)的差異會(huì)影響材料的電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)。WS?也具有直接帶隙，帶隙值約為1.9eV，這使得它在可見光區(qū)域也具有較好的光吸收能力。與MoS?相比，WS?在某些光催化反應(yīng)中表現(xiàn)出不同的活性和選擇性。在光催化降解有機(jī)污染物時(shí)，WS?對(duì)特定類型的有機(jī)分子可能具有更強(qiáng)的吸附和催化降解能力，這與其電子結(jié)構(gòu)和表面性質(zhì)密切相關(guān)。石墨烯是一種由碳原子組成的二維材料，具有六角形蜂窩狀的晶格結(jié)構(gòu)。石墨烯的碳原子之間通過共價(jià)鍵形成了穩(wěn)定的平面結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)賦予了石墨烯極高的力學(xué)強(qiáng)度和優(yōu)異的電學(xué)性能。石墨烯的電子結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出零帶隙的特點(diǎn)，電子在其中具有極高的遷移率，室溫下可達(dá)15000cm2/（V?s）。在光催化體系中，石墨烯常被用作電子傳輸通道，能夠快速地傳輸光生電子，抑制電子-空穴對(duì)的復(fù)合。將石墨烯與TiO?復(fù)合，石墨烯可以有效地接收TiO?產(chǎn)生的光生電子，并將其快速傳輸?shù)酱呋瘎┍砻?，參與光催化反應(yīng)，從而提高TiO?的光催化活性。黑磷作為一種新興的二維材料，具有獨(dú)特的褶皺狀原子結(jié)構(gòu)。黑磷的原子在二維平面內(nèi)呈鋸齒狀排列，形成了類似于蜂窩狀的結(jié)構(gòu)，但與石墨烯的平面結(jié)構(gòu)不同，黑磷具有一定的起伏，這種褶皺結(jié)構(gòu)增加了其比表面積。黑磷具有直接帶隙，帶隙值在0.3-2.0eV之間，可通過層數(shù)調(diào)控。少層黑磷在可見光范圍內(nèi)具有良好的光吸收性能，其光生載流子具有較高的遷移率。在光催化水分解制氫反應(yīng)中，黑磷能夠利用其合適的帶隙吸收可見光，產(chǎn)生光生載流子，并且由于其較高的載流子遷移率，能夠有效地促進(jìn)光生載流子的分離和傳輸，提高光催化析氫效率。3.1.2結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)性能的影響二維光催化材料的結(jié)構(gòu)參數(shù)，如晶格常數(shù)、鍵長、鍵角等，對(duì)其電子結(jié)構(gòu)和光吸收性能有著顯著的影響。晶格常數(shù)是描述晶體結(jié)構(gòu)的重要參數(shù)之一，它的變化會(huì)直接影響材料的原子間距離和電子云分布。以MoS?為例，當(dāng)晶格常數(shù)發(fā)生變化時(shí)，MoS?的能帶結(jié)構(gòu)會(huì)相應(yīng)改變。如果晶格常數(shù)增大，原子間距離增大，電子云的重疊程度減小，導(dǎo)致能帶變窄，帶隙增大。這將使得MoS?對(duì)光的吸收范圍發(fā)生變化，可能會(huì)減少對(duì)可見光的吸收，從而降低光催化活性。反之，當(dāng)晶格常數(shù)減小時(shí)，原子間距離減小，電子云重疊程度增大，能帶變寬，帶隙減小，雖然可能增加對(duì)光的吸收，但也可能導(dǎo)致光生載流子的復(fù)合幾率增加，同樣影響光催化性能。鍵長是原子間的距離，它對(duì)材料的電子結(jié)構(gòu)和光催化性能也起著關(guān)鍵作用。在MoS?中，Mo-S鍵長的變化會(huì)影響鉬原子和硫原子之間的電子云分布和相互作用。如果Mo-S鍵長變長，原子間的相互作用減弱，電子云的離域程度增加，可能會(huì)改變材料的能帶結(jié)構(gòu)和態(tài)密度分布。這可能導(dǎo)致光生載流子的遷移率發(fā)生變化，進(jìn)而影響光催化反應(yīng)中電荷的傳輸和轉(zhuǎn)移效率。鍵長的變化還可能影響材料對(duì)反應(yīng)物分子的吸附能力，合適的鍵長能夠增強(qiáng)對(duì)反應(yīng)物分子的吸附，促進(jìn)光催化反應(yīng)的進(jìn)行；而不合適的鍵長則可能減弱吸附，降低光催化活性。鍵角是原子之間的夾角，它的改變會(huì)影響材料的晶體結(jié)構(gòu)對(duì)稱性和電子云分布。在二維材料中，鍵角的變化可能導(dǎo)致晶體結(jié)構(gòu)的扭曲或變形，從而影響材料的電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)。在某些二維過渡金屬氧化物中，鍵角的調(diào)整可以改變其能帶結(jié)構(gòu)，使其具有更合適的帶隙和光吸收特性。通過改變鍵角，可以調(diào)節(jié)材料的電子態(tài)密度分布，優(yōu)化光生載流子的產(chǎn)生和傳輸過程，提高光催化效率。晶格常數(shù)、鍵長和鍵角的變化還會(huì)影響材料的晶體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。如果這些結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化超出一定范圍，可能導(dǎo)致晶體結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定，甚至發(fā)生相變。這將嚴(yán)重影響材料的光催化性能，因?yàn)椴环€(wěn)定的結(jié)構(gòu)可能導(dǎo)致活性位點(diǎn)的喪失或光生載流子的復(fù)合中心增加。在設(shè)計(jì)和優(yōu)化二維光催化材料時(shí)，需要綜合考慮晶格常數(shù)、鍵長、鍵角等結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)電子結(jié)構(gòu)、光吸收性能和晶體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響，以實(shí)現(xiàn)材料光催化性能的最大化。3.2多層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.2.1多層結(jié)構(gòu)的堆疊方式在二維光催化體系中，多層結(jié)構(gòu)的堆疊方式對(duì)材料的性能有著至關(guān)重要的影響。常見的多層堆疊方式包括AB堆疊、ABC堆疊等，每種堆疊方式都賦予材料獨(dú)特的物理性質(zhì)和光催化特性。AB堆疊是一種較為常見的方式，以多層石墨烯為例，在AB堆疊的雙層石墨烯中，第二層石墨烯的碳原子正好位于第一層石墨烯六邊形中心的正上方。這種堆疊方式使得兩層石墨烯之間的原子排列具有一定的規(guī)律性，層間通過較弱的范德華力相互作用。從電子結(jié)構(gòu)角度來看，AB堆疊的雙層石墨烯形成了特定的電子云分布，使得層間電子耦合增強(qiáng)。這種增強(qiáng)的電子耦合影響了石墨烯的能帶結(jié)構(gòu)，使其電子態(tài)密度分布發(fā)生變化，進(jìn)而影響光生載流子的傳輸和復(fù)合特性。在光催化過程中，AB堆疊的多層石墨烯能夠有效地傳輸光生電子，抑制電子-空穴對(duì)的復(fù)合，提高光催化效率。ABC堆疊方式在一些二維材料中也有重要應(yīng)用，如六方氮化硼（h-BN）的多層結(jié)構(gòu)有時(shí)會(huì)呈現(xiàn)ABC堆疊。在ABC堆疊的多層h-BN中，每一層的原子位置相對(duì)于相鄰層都有特定的偏移。這種堆疊方式導(dǎo)致材料內(nèi)部形成了更為復(fù)雜的原子間相互作用和電子結(jié)構(gòu)。與AB堆疊相比，ABC堆疊的多層h-BN具有不同的層間電子耦合強(qiáng)度和能帶結(jié)構(gòu)。由于原子排列的差異，ABC堆疊的多層h-BN在光吸收和光生載流子傳輸方面表現(xiàn)出獨(dú)特的性質(zhì)。在光催化反應(yīng)中，ABC堆疊的多層h-BN對(duì)特定波長的光具有更好的吸收能力，并且能夠更有效地將光生載流子分離和傳輸?shù)酱呋瘎┍砻?，從而提高光催化反?yīng)的活性和選擇性。不同堆疊方式下材料的層間相互作用存在顯著差異。層間相互作用主要包括范德華力、π-π相互作用等。在AB堆疊的多層二維材料中，范德華力的作用使得層間能夠保持相對(duì)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。范德華力的大小和方向會(huì)影響層間的距離和相對(duì)位置，進(jìn)而影響電子在層間的傳輸。AB堆疊的雙層MoS?中，范德華力使兩層之間保持一定的距離，約為6.5?，這種距離對(duì)層間電子的耦合和光生載流子的傳輸有著重要影響。π-π相互作用在具有共軛結(jié)構(gòu)的二維材料多層堆疊中起著重要作用。在由共軛分子組成的二維材料多層結(jié)構(gòu)中，π-π相互作用能夠促進(jìn)層間電子的離域化，增強(qiáng)電子在層間的傳輸能力。在一些有機(jī)二維材料的多層堆疊中，π-π相互作用使得光生載流子能夠在層間快速遷移，提高了光催化反應(yīng)中電荷的轉(zhuǎn)移效率。3.2.2層間相互作用與性能關(guān)系層間相互作用，如范德華力、π-π相互作用等，對(duì)光生載流子的傳輸和復(fù)合有著深刻的影響，進(jìn)而決定了二維光催化體系的性能。范德華力是一種較弱的分子間作用力，在多層二維材料中，它對(duì)光生載流子的傳輸和復(fù)合起著關(guān)鍵作用。以多層過渡金屬硫化物（如MoS?、WS?）為例，范德華力維持著層間的相對(duì)位置和距離。當(dāng)光激發(fā)產(chǎn)生光生載流子后，范德華力會(huì)影響載流子在層間的遷移。由于范德華力較弱，光生載流子在穿越層間時(shí)會(huì)受到一定的散射，導(dǎo)致遷移率降低。如果層間范德華力過強(qiáng)，可能會(huì)使層間電子云的重疊程度增加，導(dǎo)致光生載流子更容易復(fù)合。合適的范德華力強(qiáng)度能夠在保證層間結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的同時(shí)，優(yōu)化光生載流子的傳輸和復(fù)合過程。通過調(diào)節(jié)層間的范德華力，如引入特定的分子或原子來改變層間距離，可以改善光生載流子的遷移特性，提高光催化效率。π-π相互作用在具有共軛結(jié)構(gòu)的二維材料多層體系中對(duì)光生載流子的行為有著重要影響。在由共軛分子構(gòu)成的二維材料多層結(jié)構(gòu)中，π-π相互作用能夠促進(jìn)光生載流子在層間的快速傳輸。以一些有機(jī)共軛聚合物二維材料為例，π-π相互作用使得共軛分子之間的電子云發(fā)生重疊，形成了連續(xù)的電子傳輸通道。當(dāng)光激發(fā)產(chǎn)生光生電子-空穴對(duì)后，電子能夠通過π-π相互作用在層間快速遷移，有效地抑制了電子-空穴對(duì)的復(fù)合。π-π相互作用還能夠影響材料的能帶結(jié)構(gòu)，使能帶更加平坦，有利于光生載流子的離域化。這種離域化特性使得光生載流子在材料內(nèi)部具有更高的遷移率，從而提高了光催化反應(yīng)中電荷的分離和傳輸效率，增強(qiáng)了光催化活性。除了范德華力和π-π相互作用外，其他層間相互作用如靜電相互作用等也會(huì)對(duì)光生載流子的傳輸和復(fù)合產(chǎn)生影響。在一些二維材料異質(zhì)結(jié)構(gòu)中，由于不同材料之間的電荷分布差異，會(huì)產(chǎn)生靜電相互作用。這種靜電相互作用會(huì)形成內(nèi)建電場，影響光生載流子的運(yùn)動(dòng)方向和遷移率。在石墨烯與MoS?形成的異質(zhì)結(jié)構(gòu)中，由于兩者的功函數(shù)不同，界面處會(huì)產(chǎn)生內(nèi)建電場。光生載流子在這個(gè)內(nèi)建電場的作用下，會(huì)發(fā)生定向遷移，從而提高了光生載流子的分離效率。如果內(nèi)建電場的強(qiáng)度不合適，可能會(huì)導(dǎo)致光生載流子的復(fù)合增加。合理調(diào)控層間的靜電相互作用，優(yōu)化內(nèi)建電場的強(qiáng)度和方向，對(duì)于提高光生載流子的傳輸效率和光催化性能具有重要意義。3.3異質(zhì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.3.1異質(zhì)結(jié)構(gòu)的類型與構(gòu)建在二維光催化體系中，異質(zhì)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是提升光催化性能的關(guān)鍵策略之一，其類型豐富多樣，構(gòu)建過程涉及諸多關(guān)鍵因素。同型異質(zhì)結(jié)構(gòu)是由相同類型但具有不同結(jié)構(gòu)或性質(zhì)的二維材料組成。以石墨烯-石墨烯同型異質(zhì)結(jié)構(gòu)為例，可通過控制石墨烯的層數(shù)、缺陷程度或摻雜情況來構(gòu)建。在構(gòu)建過程中，由于石墨烯具有良好的柔韌性和可加工性，可采用化學(xué)氣相沉積（CVD）等方法在不同條件下生長出具有不同特性的石墨烯層，然后通過轉(zhuǎn)移技術(shù)將它們堆疊在一起。通過CVD在銅箔襯底上生長出單層石墨烯，再在另一條件下生長出具有特定缺陷的石墨烯層，利用濕法轉(zhuǎn)移技術(shù)將具有缺陷的石墨烯層轉(zhuǎn)移到單層石墨烯上，形成同型異質(zhì)結(jié)構(gòu)。這種同型異質(zhì)結(jié)構(gòu)中，不同石墨烯層之間的電子結(jié)構(gòu)和電學(xué)性質(zhì)存在差異，能夠產(chǎn)生內(nèi)建電場，促進(jìn)光生載流子的分離和傳輸。異型異質(zhì)結(jié)構(gòu)則是由不同類型的二維材料組合而成，如石墨烯與MoS?構(gòu)成的異質(zhì)結(jié)。在構(gòu)建這種異型異質(zhì)結(jié)構(gòu)時(shí)，需要考慮兩種材料的晶格匹配度和界面兼容性。由于石墨烯和MoS?的晶格常數(shù)存在差異，會(huì)導(dǎo)致界面處存在晶格失配，這可能影響異質(zhì)結(jié)的穩(wěn)定性和性能。為解決這一問題，可采用緩沖層或界面修飾等方法來改善界面結(jié)構(gòu)。在石墨烯與MoS?之間引入一層超薄的過渡金屬氧化物（如TiO?）作為緩沖層，TiO?與石墨烯和MoS?都具有較好的兼容性，能夠有效緩解晶格失配問題，增強(qiáng)界面結(jié)合力。通過化學(xué)溶液法在MoS?表面生長一層TiO?緩沖層，再利用CVD生長石墨烯并轉(zhuǎn)移到TiO?修飾的MoS?表面，構(gòu)建出穩(wěn)定的石墨烯/MoS?異質(zhì)結(jié)構(gòu)。構(gòu)建異質(zhì)結(jié)時(shí)，遵循能帶匹配原則至關(guān)重要。不同二維材料的能帶結(jié)構(gòu)不同，在構(gòu)建異質(zhì)結(jié)時(shí)，需要確保兩種材料的導(dǎo)帶和價(jià)帶之間存在合適的能級(jí)差，以實(shí)現(xiàn)光生載流子的有效轉(zhuǎn)移和分離。在構(gòu)建TiO?與黑磷的異質(zhì)結(jié)時(shí)，TiO?的導(dǎo)帶底能級(jí)低于黑磷的導(dǎo)帶底能級(jí)，價(jià)帶頂能級(jí)高于黑磷的價(jià)帶頂能級(jí)。這種能帶匹配關(guān)系使得光激發(fā)產(chǎn)生的電子能夠從黑磷的導(dǎo)帶轉(zhuǎn)移到TiO?的導(dǎo)帶，空穴從TiO?的價(jià)帶轉(zhuǎn)移到黑磷的價(jià)帶，從而實(shí)現(xiàn)光生載流子的分離，提高光催化效率。晶格匹配也是構(gòu)建異質(zhì)結(jié)的重要考慮因素。晶格匹配度較高的二維材料在構(gòu)建異質(zhì)結(jié)時(shí)，能夠減少界面處的晶格失配和缺陷，提高界面的質(zhì)量和穩(wěn)定性。如六方氮化硼（h-BN）與石墨烯的晶格常數(shù)較為接近，在構(gòu)建h-BN/石墨烯異質(zhì)結(jié)時(shí)，界面處的晶格失配較小，能夠形成良好的界面接觸。這種良好的晶格匹配有助于電子在界面處的傳輸，降低光生載流子的復(fù)合幾率，增強(qiáng)光催化性能。在構(gòu)建異質(zhì)結(jié)時(shí)，還可通過引入界面修飾、緩沖層等手段來改善晶格匹配情況，進(jìn)一步優(yōu)化異質(zhì)結(jié)的性能。3.3.2異質(zhì)結(jié)界面特性與光催化性能異質(zhì)結(jié)界面的電荷轉(zhuǎn)移特性以及內(nèi)建電場對(duì)光生載流子的分離和遷移有著深遠(yuǎn)的影響，進(jìn)而決定了二維光催化體系的光催化性能。在異質(zhì)結(jié)界面，由于不同二維材料的電子親和能和功函數(shù)存在差異，會(huì)導(dǎo)致電荷的重新分布，形成內(nèi)建電場。以MoS?與WS?構(gòu)成的異質(zhì)結(jié)為例，當(dāng)兩者接觸形成異質(zhì)結(jié)時(shí)，由于MoS?和WS?的電子親和能不同，電子會(huì)從電子親和能較低的材料向電子親和能較高的材料轉(zhuǎn)移。在MoS?/WS?異質(zhì)結(jié)中，電子會(huì)從MoS?轉(zhuǎn)移到WS?，使得MoS?一側(cè)帶正電，WS?一側(cè)帶負(fù)電，從而在界面處形成內(nèi)建電場。這個(gè)內(nèi)建電場的方向從WS?指向MoS?，它能夠?qū)馍d流子產(chǎn)生作用。當(dāng)光激發(fā)產(chǎn)生光生電子-空穴對(duì)后，電子和空穴在內(nèi)建電場的作用下，會(huì)分別向相反的方向遷移。電子會(huì)向WS?一側(cè)遷移，空穴會(huì)向MoS?一側(cè)遷移，這種定向遷移有效地促進(jìn)了光生載流子的分離，減少了它們的復(fù)合幾率。內(nèi)建電場的強(qiáng)度和方向?qū)馍d流子的遷移路徑和效率有著關(guān)鍵影響。如果內(nèi)建電場強(qiáng)度適中，能夠?yàn)楣馍d流子提供足夠的驅(qū)動(dòng)力，使其快速遷移到催化劑表面參與光催化反應(yīng)。在一些二維材料異質(zhì)結(jié)中，通過調(diào)節(jié)界面處的電荷密度和材料的摻雜情況，可以調(diào)控內(nèi)建電場的強(qiáng)度。在石墨烯與TiO?異質(zhì)結(jié)中，通過對(duì)TiO?進(jìn)行適當(dāng)?shù)膎型摻雜，增加TiO?中的電子濃度，從而增強(qiáng)界面處的內(nèi)建電場。增強(qiáng)的內(nèi)建電場能夠更有效地驅(qū)動(dòng)光生電子從TiO?向石墨烯遷移，提高光生載流子的分離效率，進(jìn)而提升光催化性能。內(nèi)建電場的方向也決定了光生載流子的遷移方向，合理設(shè)計(jì)異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，確保內(nèi)建電場方向與光生載流子的遷移需求一致，對(duì)于提高光催化效率至關(guān)重要。異質(zhì)結(jié)界面的電荷轉(zhuǎn)移還會(huì)影響光催化反應(yīng)的選擇性。不同的二維材料對(duì)反應(yīng)物分子的吸附和活化能力不同，在異質(zhì)結(jié)界面，電荷轉(zhuǎn)移會(huì)改變材料表面的電子云分布，從而影響對(duì)反應(yīng)物分子的吸附和反應(yīng)活性。在光催化二氧化碳還原反應(yīng)中，一些二維材料異質(zhì)結(jié)能夠通過電荷轉(zhuǎn)移，增強(qiáng)對(duì)二氧化碳分子的吸附和活化能力，促進(jìn)其還原為特定的產(chǎn)物。在石墨烯與氮化碳（g-C?N?）構(gòu)成的異質(zhì)結(jié)中，電荷轉(zhuǎn)移使得g-C?N?表面的電子云密度發(fā)生變化，增強(qiáng)了對(duì)二氧化碳分子的吸附能力，并且改變了反應(yīng)的活化能，使得反應(yīng)更傾向于生成甲醇等特定產(chǎn)物，提高了光催化反應(yīng)的選擇性。四、二維光催化體系的性能調(diào)控4.1電子結(jié)構(gòu)調(diào)控4.1.1能帶結(jié)構(gòu)與光催化活性能帶結(jié)構(gòu)作為光催化材料的關(guān)鍵特征，對(duì)光生載流子的產(chǎn)生、傳輸和參與光催化反應(yīng)的過程有著深遠(yuǎn)影響。在二維光催化體系中，能帶結(jié)構(gòu)的特性與光催化活性緊密相關(guān)，其中帶隙寬度起著核心作用。帶隙寬度決定了光催化材料吸收光子的能量范圍，進(jìn)而決定了光生載流子的產(chǎn)生效率。根據(jù)普朗克關(guān)系式，半導(dǎo)體的激發(fā)光波與帶隙存在特定關(guān)系：\lambda=hc/E_g=1240/E_g，其中\(zhòng)lambda為吸收波長閾值，h為普朗克常量，c為光的真空速度，E_g為半導(dǎo)體帶隙。以銳鈦礦型TiO?為例，其帶隙約為3.2eV，這就限定了它只能吸收波長小于400nm的紫外光。由于太陽光中紫外光占比較小，TiO?對(duì)太陽光的利用效率較低。若帶隙過大，材料對(duì)光的吸收范圍將被限制在紫外光區(qū)域，無法充分利用太陽光中豐富的可見光部分，從而限制了光生載流子的產(chǎn)生量，降低光催化活性。帶隙寬度還會(huì)影響光生載流子的復(fù)合概率。當(dāng)帶隙較窄時(shí)，雖然材料對(duì)光的吸收范圍擴(kuò)大，能夠吸收更寬波長范圍的光，但這也會(huì)導(dǎo)致光生電子-空穴對(duì)的復(fù)合概率顯著增加。因?yàn)檎瓗兑馕吨娮雍涂昭ǖ哪芰坎钶^小，它們更容易相互靠近并復(fù)合，不利于光催化量子效率的提高。窄帶隙還可能導(dǎo)致光催化材料吸收高能光子后，高能光子通過非輻射躍遷的方式到達(dá)導(dǎo)帶底部，能量大于帶隙的部分將轉(zhuǎn)化為晶格振動(dòng)熱能，這不僅不利于充分利用太陽能，還可能使材料溫度升高，對(duì)光催化性能產(chǎn)生負(fù)面影響。帶隙過窄還會(huì)導(dǎo)致催化材料的氧化電勢和還原電勢不高，不利于光催化材料性能的提高。對(duì)于光催化分解水反應(yīng)，催化劑的導(dǎo)帶位置需要比H?/H?O（0eV）的氧化還原電勢高，才能產(chǎn)生H?；價(jià)帶頂?shù)奈恢帽仨毐萇?/H?O（1.23eV）更低，才能產(chǎn)生O?。若帶隙過窄，可能無法滿足這些電勢要求，導(dǎo)致光催化分解水反應(yīng)難以進(jìn)行。除了帶隙寬度，能帶結(jié)構(gòu)中的色散關(guān)系也對(duì)光生載流子的輸運(yùn)性質(zhì)起著關(guān)鍵作用。色散關(guān)系決定了載流子的有效質(zhì)量，載流子的有效質(zhì)量是決定其輸運(yùn)性質(zhì)的關(guān)鍵因素。一般來說，有效質(zhì)量越小，載流子的擴(kuò)散就越容易，價(jià)帶和導(dǎo)帶的離域性越好，光生載流子的遷移能力越強(qiáng)，越有利于光催化反應(yīng)中的氧化還原反應(yīng)進(jìn)行。在一些二維材料中，如石墨烯，其獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)使得電子具有極小的有效質(zhì)量，電子在其中能夠快速遷移，這為光生載流子的傳輸提供了良好的通道。當(dāng)石墨烯與其他光催化材料復(fù)合時(shí)，能夠快速地將光生電子傳輸?shù)酱呋瘎┍砻妫瑓⑴c光催化反應(yīng)，提高光催化效率。能帶結(jié)構(gòu)中的導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂?shù)哪芰课恢脤?duì)光催化反應(yīng)的活性也有重要影響。提高導(dǎo)帶底的能量可以增強(qiáng)材料的電子還原能力，促進(jìn)光誘導(dǎo)電子的轉(zhuǎn)移，從而提高光催化氧化還原反應(yīng)的活性。通過摻雜或異質(zhì)結(jié)構(gòu)構(gòu)建等方法，可以改變材料的導(dǎo)帶底能量，優(yōu)化光催化性能。在TiO?中摻雜某些金屬離子（如Nb、Ta），可以提高導(dǎo)帶底的能量，增強(qiáng)其電子還原能力，促進(jìn)光催化反應(yīng)中電子的轉(zhuǎn)移，提高光催化活性。價(jià)帶頂?shù)哪芰恳部梢酝ㄟ^調(diào)節(jié)來提高材料的氧化能力，進(jìn)一步增強(qiáng)光催化氧化反應(yīng)的活性。在一些二維過渡金屬氧化物中，通過調(diào)控價(jià)帶頂?shù)哪芰?，可以使其更好地氧化有機(jī)污染物，提高光催化降解效率。4.1.2缺陷與雜質(zhì)對(duì)電子結(jié)構(gòu)的影響在二維光催化體系中，缺陷與雜質(zhì)的存在會(huì)對(duì)材料的電子結(jié)構(gòu)和光催化性能產(chǎn)生顯著影響。點(diǎn)缺陷是一類常見的缺陷，包括空位、間隙原子和替位原子等?？瘴皇侵妇Ц裰腥鄙僭拥奈恢茫g隙原子是指多余的原子占據(jù)了原本不應(yīng)有原子的間隙位置，替位原子則是指其他元素的原子取代了原有晶格中的原子。這些點(diǎn)缺陷會(huì)導(dǎo)致材料局部電荷密度的變化，進(jìn)而影響材料的電子結(jié)構(gòu)和光催化性能?？瘴坏拇嬖跁?huì)在材料中引入缺陷能級(jí)。以TiO?為例，當(dāng)晶格中出現(xiàn)氧空位時(shí)，會(huì)在禁帶中形成缺陷能級(jí)。這些缺陷能級(jí)可以捕獲光生載流子，改變光生載流子的復(fù)合路徑和速率。一方面，氧空位可以作為光生電子的捕獲中心，延長光生電子-空穴對(duì)的壽命，提高光生載流子的分離效率。在光催化反應(yīng)中，光生電子被氧空位捕獲后，不易與空穴復(fù)合，從而增加了參與光催化反應(yīng)的光生載流子數(shù)量，提高光催化活性。另一方面，過多的氧空位也可能成為光生載流子的復(fù)合中心，導(dǎo)致光生載流子的復(fù)合概率增加，降低光催化效率。這是因?yàn)檠蹩瘴徊东@的光生電子可能會(huì)與附近的空穴發(fā)生復(fù)合，釋放出能量，以熱或光的形式耗散，從而減少了參與光催化反應(yīng)的有效載流子數(shù)量。間隙原子同樣會(huì)對(duì)材料的電子結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。當(dāng)間隙原子進(jìn)入晶格后，會(huì)改變晶格的原子間相互作用和電子云分布。在一些二維材料中，間隙原子的存在可能會(huì)導(dǎo)致晶格畸變，進(jìn)而影響材料的電子態(tài)密度分布。間隙原子還可能引入新的能級(jí)，改變材料的能帶結(jié)構(gòu)。在石墨烯中引入氫原子作為間隙原子，氫原子的電子會(huì)與石墨烯的電子相互作用，改變石墨烯的電子結(jié)構(gòu)，引入新的能級(jí)，從而影響石墨烯的電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)。這種電子結(jié)構(gòu)的改變會(huì)進(jìn)一步影響石墨烯在光催化體系中的性能，如光生載流子的產(chǎn)生和傳輸效率。雜質(zhì)原子的引入會(huì)顯著改變材料的電子結(jié)構(gòu)和光催化性能。在半導(dǎo)體材料中，通過摻雜不同類型的雜質(zhì)原子，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)材料電學(xué)性質(zhì)的調(diào)控，如控制半導(dǎo)體的p型或n型特性。在二維光催化材料中，雜質(zhì)原子的摻雜可以改變材料的能帶結(jié)構(gòu)和光吸收特性。在MoS?中摻雜金屬原子（如Fe、Co、Ni），摻雜原子會(huì)在MoS?的晶格中形成特定的占位，引入新的能級(jí)。這些新能級(jí)可以調(diào)節(jié)MoS?的能帶結(jié)構(gòu)，使其對(duì)光的吸收范圍發(fā)生變化。摻雜還可以改變MoS?表面的電子云分布，增強(qiáng)對(duì)反應(yīng)物分子的吸附和活化能力，從而提高光催化活性。Fe摻雜的MoS?在光催化析氫反應(yīng)中，F(xiàn)e原子的存在可以增強(qiáng)MoS?對(duì)H?的吸附能力，降低析氫反應(yīng)的活化能，提高析氫效率。雜質(zhì)原子的濃度和分布也會(huì)對(duì)光催化性能產(chǎn)生重要影響。高濃度的雜質(zhì)原子可能會(huì)導(dǎo)致材料中形成過多的缺陷能級(jí)，這些缺陷能級(jí)可能成為光生載流子的復(fù)合中心，降低光催化效率。雜質(zhì)原子的不均勻分布也可能導(dǎo)致材料內(nèi)部電場的不均勻，影響光生載流子的傳輸和分離。在設(shè)計(jì)和制備二維光催化材料時(shí)，需要精確控制雜質(zhì)原子的濃度和分布，以實(shí)現(xiàn)對(duì)光催化性能的有效調(diào)控。通過精確控制摻雜原子的濃度和分布，可以優(yōu)化材料的光催化性能，提高光催化反應(yīng)的效率和選擇性。4.2光吸收性能調(diào)控4.2.1材料本征光吸收特性材料的本征光吸收特性主要取決于其自身的電子結(jié)構(gòu)，這一特性對(duì)光吸收范圍和強(qiáng)度有著決定性影響。以常見的二維光催化材料石墨烯為例，它具有獨(dú)特的六角形蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)，碳原子之間通過共價(jià)鍵連接。從電子結(jié)構(gòu)角度來看，石墨烯的價(jià)帶和導(dǎo)帶在狄拉克點(diǎn)處相交，呈現(xiàn)出零帶隙的特性。這種特殊的電子結(jié)構(gòu)使得石墨烯在光吸收方面表現(xiàn)出獨(dú)特的性質(zhì)，它能夠吸收很寬范圍的光，包括可見光和紅外光。石墨烯的光吸收強(qiáng)度相對(duì)較弱，這是由于其零帶隙結(jié)構(gòu)導(dǎo)致光生載流子的產(chǎn)生相對(duì)困難。為了增強(qiáng)石墨烯的光吸收能力，可以通過引入缺陷或與其他材料復(fù)合等方式來改變其電子結(jié)構(gòu)，從而拓展光吸收范圍和提高光吸收強(qiáng)度。過渡金屬硫化物MoS?作為另一種典型的二維光催化材料，其單層結(jié)構(gòu)由兩層硫原子夾著一層鉬原子通過化學(xué)鍵相互連接而成。MoS?具有直接帶隙，帶隙值約為1.8eV，這使得它在可見光區(qū)域具有較好的光吸收能力。MoS?的光吸收范圍主要集中在可見光的藍(lán)光和綠光區(qū)域。其光吸收強(qiáng)度受到能帶結(jié)構(gòu)的影響，導(dǎo)帶和價(jià)帶之間的能量差決定了光吸收的閾值。當(dāng)入射光的能量大于帶隙能量時(shí)，光子能夠被吸收，激發(fā)電子從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，產(chǎn)生光生電子-空穴對(duì)。MoS?的光吸收強(qiáng)度還與晶體結(jié)構(gòu)的完整性、缺陷等因素有關(guān)。如果晶體結(jié)構(gòu)中存在較多的缺陷，可能會(huì)導(dǎo)致光生載流子的復(fù)合幾率增加，從而降低光吸收效率。黑磷是一種具有獨(dú)特褶皺狀原子結(jié)構(gòu)的二維材料，其原子在二維平面內(nèi)呈鋸齒狀排列。黑磷具有直接帶隙，帶隙值在0.3-2.0eV之間，可通過層數(shù)調(diào)控。少層黑磷在可見光范圍內(nèi)具有良好的光吸收性能，其光吸收范圍和強(qiáng)度與帶隙密切相關(guān)。隨著層數(shù)的增加，黑磷的帶隙逐漸減小，光吸收范圍向長波長方向移動(dòng)。黑磷的光吸收強(qiáng)度還受到表面狀態(tài)的影響，表面的氧化或雜質(zhì)吸附等會(huì)改變其光吸收特性。如果黑磷表面被氧化，可能會(huì)在表面形成一層氧化層，這層氧化層會(huì)影響光的吸收和光生載流子的產(chǎn)生，降低光吸收強(qiáng)度。材料的晶體結(jié)構(gòu)也會(huì)對(duì)光吸收特性產(chǎn)生重要影響。晶體結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性、周期性等因素會(huì)影響電子在材料中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，進(jìn)而影響光吸收。在一些具有高度對(duì)稱性晶體結(jié)構(gòu)的二維材料中，光吸收可能呈現(xiàn)出各向同性的特點(diǎn)；而在具有較低對(duì)稱性晶體結(jié)構(gòu)的材料中，光吸收可能會(huì)表現(xiàn)出各向異性。在二維材料中引入晶格畸變或缺陷，會(huì)破壞晶體結(jié)構(gòu)的周期性，改變電子的能級(jí)分布，從而影響光吸收范圍和強(qiáng)度。4.2.2表面修飾與光吸收增強(qiáng)表面修飾是提升二維光催化材料光吸收性能的重要手段，其中表面等離子體共振、敏化等修飾方法具有顯著的效果。表面等離子體共振（SPR）是指當(dāng)光照射到金屬納米顆粒表面時(shí)，金屬中的自由電子會(huì)發(fā)生集體振蕩，與入射光的頻率產(chǎn)生共振，從而增強(qiáng)光吸收的現(xiàn)象。在二維光催化材料中引入具有SPR效應(yīng)的金屬納米顆粒，能夠顯著提升光吸收性能。以石墨烯與金納米顆粒復(fù)合體系為例，當(dāng)金納米顆粒負(fù)載在石墨烯表面時(shí)，金納米顆粒的SPR效應(yīng)可以使局部電場增強(qiáng)。這種增強(qiáng)的電場能夠與入射光發(fā)生強(qiáng)烈的相互作用，增加光的散射和吸收。在可見光照射下，金納米顆粒的SPR效應(yīng)使得石墨烯對(duì)光的吸收顯著增強(qiáng)。由于局部電場的增強(qiáng)，光生載流子的產(chǎn)生效率也得到提高，從而為光催化反應(yīng)提供更多的活性載流子。SPR效應(yīng)還可以改變光的傳播路徑，使光在材料表面多次散射，增加光與材料的相互作用時(shí)間，進(jìn)一步提高光吸收效率。敏化是另一種有效的表面修飾方法，通過引入敏化劑，能夠拓展二維光催化材料的光吸收范圍。以MoS?為例，將有機(jī)染料作為敏化劑修飾在MoS?表面。有機(jī)染料具有豐富的共軛結(jié)構(gòu)，能夠吸收特定波長的光。當(dāng)有機(jī)染料吸收光子后，電子被激發(fā)到激發(fā)態(tài)。由于有機(jī)染料與MoS?之間存在有效的電子轉(zhuǎn)移通道，激發(fā)態(tài)的電子能夠迅速轉(zhuǎn)移到MoS?的導(dǎo)帶中。這樣，原本對(duì)某些波長光吸收較弱的MoS?，通過敏化劑的作用，能夠吸收這些波長的光，實(shí)現(xiàn)光吸收范圍的拓展。敏化劑還可以改變MoS?表面的電子云分布，增強(qiáng)對(duì)反應(yīng)物分子的吸附和活化能力，進(jìn)一步促進(jìn)光催化反應(yīng)的進(jìn)行。除了表面等離子體共振和敏化修飾方法外，表面粗糙度的調(diào)控也能對(duì)光吸收性能產(chǎn)生影響。通過物理或化學(xué)方法增加二維光催化材料的表面粗糙度，可以增加光的散射。光在粗糙表面上會(huì)發(fā)生多次反射和散射，延長光在材料表面的傳播路徑，從而增加光與材料的相互作用幾率，提高光吸收效率。在一些二維材料表面構(gòu)建納米結(jié)構(gòu)，如納米棒、納米孔等，這些納米結(jié)構(gòu)能夠增加表面粗糙度，增強(qiáng)光的散射效果。表面粗糙度的增加還可以增加材料的比表面積，提供更多的活性位點(diǎn)，有利于光催化反應(yīng)的進(jìn)行。4.3載流子傳輸與復(fù)合調(diào)控4.3.1載流子遷移率與傳輸路徑材料的晶體結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)是影響載流子遷移率和傳輸路徑的關(guān)鍵因素。以常見的二維光催化材料石墨烯為例，其具有規(guī)則的六角形蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)，碳原子之間通過共價(jià)鍵緊密相連，形成了高度對(duì)稱的二維平面。這種晶體結(jié)構(gòu)使得電子在石墨烯中能夠自由移動(dòng)，具有極高的遷移率，室溫下可達(dá)15000cm2/（V?s）。從電子結(jié)構(gòu)角度來看，石墨烯的價(jià)帶和導(dǎo)帶在狄拉克點(diǎn)處相交，呈現(xiàn)出零帶隙的特性，電子在其中的有效質(zhì)量極小，幾乎可以看作是無質(zhì)量的狄拉克費(fèi)米子。這種獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)使得電子在石墨烯中的傳輸幾乎不受散射的影響，能夠在晶格中快速遷移，為光生載流子的傳輸提供了極為高效的通道。過渡金屬硫化物MoS?的晶體結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)對(duì)載流子遷移率和傳輸路徑有著不同的影響。MoS?的單層結(jié)構(gòu)由兩層硫原子夾著一層鉬原子通過化學(xué)鍵相互連接而成，其晶體結(jié)構(gòu)具有一定的各向異性。在MoS?的平面內(nèi)，原子間的共價(jià)鍵較強(qiáng)，電子在平面內(nèi)的遷移相對(duì)較為容易；而在垂直于平面的方向上，層間通過較弱的范德華力相互作用，電子的遷移受到較大阻礙。從電子結(jié)構(gòu)來看，MoS?具有直接帶隙，帶隙值約為1.8eV，光激發(fā)產(chǎn)生的光生電子和空穴在這種電子結(jié)構(gòu)下，其遷移率和傳輸路徑與石墨烯有很大差異。光生電子在MoS?的導(dǎo)帶中遷移時(shí)，由于層間的弱相互作用，會(huì)受到一定的散射，導(dǎo)致遷移率降低。光生載流子在傳輸過程中，還會(huì)受到晶體結(jié)構(gòu)中的缺陷、雜質(zhì)等因素的影響，進(jìn)一步改變其傳輸路徑和遷移率。黑磷作為一種具有獨(dú)特褶皺狀原子結(jié)構(gòu)的二維材料，其晶體結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)對(duì)載流子遷移率和傳輸路徑的影響也十分顯著。黑磷的原子在二維平面內(nèi)呈鋸齒狀排列，形成了類似于蜂窩狀的結(jié)構(gòu)，但與石墨烯的平面結(jié)構(gòu)不同，黑磷具有一定的起伏，這種褶皺結(jié)構(gòu)增加了其比表面積。從電子結(jié)構(gòu)來看，黑磷具有直接帶隙，帶隙值在0.3-2.0eV之間，可通過層數(shù)調(diào)控。這種晶體結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)使得黑磷中的光生載流子在傳輸過程中，由于褶皺結(jié)構(gòu)的存在，電子的散射幾率增加，遷移率相對(duì)較低。黑磷的帶隙結(jié)構(gòu)也會(huì)影響光生載流子的傳輸路徑，不同能量的光生載流子在帶隙中的分布和遷移方式不同，從而影響光催化反應(yīng)中電荷的傳輸和轉(zhuǎn)移效率。材料的晶體結(jié)構(gòu)中的缺陷和雜質(zhì)也會(huì)對(duì)載流子遷移率和傳輸路徑產(chǎn)生重要影響。在二維材料中，點(diǎn)缺陷如空位、間隙原子等會(huì)破壞晶體結(jié)構(gòu)的周期性，導(dǎo)致電子散射增加，降低載流子遷移率。雜質(zhì)原子的引入會(huì)改變材料的電子結(jié)構(gòu)，引入新的能級(jí)，這些能級(jí)可能成為載流子的陷阱或散射中心，影響載流子的傳輸路徑和遷移率。在MoS?中引入氧空位，氧空位會(huì)在禁帶中形成缺陷能級(jí)，這些缺陷能級(jí)可以捕獲光生載流子，改變光生載流子的傳輸路徑，降低遷移率。雜質(zhì)原子的濃度和分布也會(huì)對(duì)載流子的傳輸產(chǎn)生影響，不均勻的雜質(zhì)分布會(huì)導(dǎo)致載流子在傳輸過程中受到不同程度的散射，進(jìn)一步降低遷移率。4.3.2抑制載流子復(fù)合的策略抑制載流子復(fù)合是提高二維光催化體系性能的關(guān)鍵，通過界面工程和引入助催化劑等策略可以有效地實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。界面工程是抑制載流子復(fù)合的重要手段之一。在二維光催化體系中，構(gòu)建異質(zhì)結(jié)是一種常見的界面工程方法。以石墨烯與TiO?形成的異質(zhì)結(jié)為例，當(dāng)兩者接觸形成異質(zhì)結(jié)時(shí)，由于石墨烯和TiO?的電子親和能和功函數(shù)存在差異，會(huì)導(dǎo)致電荷的重新分布，在界面處形成內(nèi)建電場。這個(gè)內(nèi)建電場的方向從TiO?指向石墨烯。當(dāng)光激發(fā)產(chǎn)生光生電子-空穴對(duì)后，電子會(huì)在內(nèi)建電場的作用下，從TiO?的導(dǎo)帶快速轉(zhuǎn)移到石墨烯的導(dǎo)帶，空穴則留在TiO?的價(jià)帶。這種定向的電荷轉(zhuǎn)移有效地促進(jìn)了光生載流子的分離，減少了它們的復(fù)合幾率。石墨烯具有優(yōu)異的電學(xué)性能，能夠快速傳輸光生電子，進(jìn)一步抑制了電子-空穴對(duì)的復(fù)合。通過優(yōu)化異質(zhì)結(jié)的界面結(jié)構(gòu)，如調(diào)整界面的粗糙度、引入緩沖層等，可以增強(qiáng)界面的電荷轉(zhuǎn)移能力，進(jìn)一步提高光生載流子的分離效率，抑制載流子復(fù)合。引入助催化劑也是抑制載流子復(fù)合的有效策略。在光催化體系中，助催化劑可以作為電子或空穴的捕獲中心，促進(jìn)光生載流子的分離。以MoS?作為光催化劑，引入貴金屬Pt作為助催化劑為例。Pt具有較低的功函數(shù)，當(dāng)Pt負(fù)載在MoS?表面時(shí)，光激發(fā)產(chǎn)生的光生電子會(huì)迅速轉(zhuǎn)移到Pt上。這是因?yàn)镻t的費(fèi)米能級(jí)低于MoS?的導(dǎo)帶底能級(jí)，電子在濃度差和能級(jí)差的驅(qū)動(dòng)下，從MoS?轉(zhuǎn)移到Pt。Pt作為電子捕獲中心，有效地降低了MoS?表面光生電子的濃度，減少了光生電子與空穴的復(fù)合幾率。Pt還可以提供額外的催化活性位點(diǎn)，促進(jìn)光催化反應(yīng)的進(jìn)行。在光催化析氫反應(yīng)中，Pt上捕獲的光生電子可以與溶液中的質(zhì)子結(jié)合，生成氫氣，提高析氫效率。除了貴金屬助催化劑，一些過渡金屬氧化物、硫化物等也可以作為助催化劑，通過不同的作用機(jī)制抑制載流子復(fù)合，提高光催化性能。除了界面工程和引入助催化劑，還可以通過表面修飾等方法來抑制載流子復(fù)合。對(duì)二維光催化材料的表面進(jìn)行修飾，如引入特定的官能團(tuán)或分子，可以改變材料表面的電子云分布，影響光生載流子的復(fù)合過程。在TiO?表面修飾有機(jī)分子，有機(jī)分子可以與TiO?表面的原子形成化學(xué)鍵，改變表面的電子結(jié)構(gòu)。這種修飾可以增加表面的電荷轉(zhuǎn)移通道，促進(jìn)光生載流子的分離，抑制載流子復(fù)合。表面修飾還可以增強(qiáng)材料對(duì)反應(yīng)物分子的吸附能力，提高光催化反應(yīng)的活性。五、案例分析5.1MoS?/WS?異質(zhì)結(jié)構(gòu)光催化劑WS?作為一種二維過渡金屬硫化物，在光催化領(lǐng)域展現(xiàn)出一定的潛力，但也面臨著一些限制其性能提升的關(guān)鍵問題。從光譜吸收特性來看，WS?的光吸收范圍相對(duì)較窄。其帶隙約為1.9eV，這使得它主要對(duì)特定波長范圍的光具有吸收能力，主要集中在可見光的藍(lán)光和綠光區(qū)域，難以充分利用太陽光中的全光譜能量。這種窄的光吸收范圍限制了WS?在光催化反應(yīng)中光生載流子的產(chǎn)生效率，因?yàn)橹挥斜晃盏墓庾硬拍芗ぐl(fā)電子躍遷，產(chǎn)生光生電子-空穴對(duì)，參與光催化反應(yīng)。WS?存在激子分裂高的問題。當(dāng)光照射到WS?上產(chǎn)生激子（束縛的電子-空穴對(duì)）后，由于其內(nèi)部的庫侖相互作用較強(qiáng)，激子難以有效地分裂成自由的光生電子和空穴。這導(dǎo)致光生載流子的分離效率較低，大量的光生電子和空穴在復(fù)合之前無法遷移到催化劑表面參與光催化反應(yīng)，從而降低了光催化活性。激子分裂高還使得光生載流子的壽命較短，進(jìn)一步限制了光催化反應(yīng)的進(jìn)行。為了克服WS?的這些問題，構(gòu)建MoS?/WS?異質(zhì)結(jié)構(gòu)是一種有效的策略。當(dāng)MoS?覆蓋在WS?上形成異質(zhì)結(jié)構(gòu)時(shí)，對(duì)光吸收率產(chǎn)生了顯著的增強(qiáng)作用。MoS?的帶隙約為1.8eV，與WS?的帶隙相近，但兩者的電子結(jié)構(gòu)和光吸收特性存在差異。MoS?能夠吸收特定波長范圍的光，與WS?的光吸收范圍形成互補(bǔ)。在可見光照射下，MoS?/WS?異質(zhì)結(jié)構(gòu)能夠吸收更寬范圍的光，實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽光的更充分利用。通過理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測量發(fā)現(xiàn)，MoS?/WS?異質(zhì)結(jié)構(gòu)的光吸收率比單獨(dú)的WS?提高了約30%，這為光生載流子的產(chǎn)生提供了更多的光子，增強(qiáng)了光催化反應(yīng)的驅(qū)動(dòng)力。MoS?/WS?異質(zhì)結(jié)構(gòu)對(duì)光電流也有明顯的增強(qiáng)效果。在光催化過程中，光電流的大小反映了光生載流子的傳輸和分離效率。由于MoS?和WS?的功函數(shù)不同，在異質(zhì)結(jié)構(gòu)界面處會(huì)形成內(nèi)建電場。當(dāng)光激發(fā)產(chǎn)生光生電子-空穴對(duì)后，內(nèi)建電場能夠有效地驅(qū)動(dòng)電子和空穴向相反的方向遷移，促進(jìn)光生載流子的分離。MoS?具有較高的電子遷移率，能夠快速傳輸光生電子，進(jìn)一步增強(qiáng)了光生載流子的傳輸效率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，MoS?/WS?異質(zhì)結(jié)構(gòu)的光電流比單獨(dú)的WS?提高了約2倍，這表明異質(zhì)結(jié)構(gòu)能夠更有效地將光生載流子傳輸?shù)酱呋瘎┍砻?，參與光催化反應(yīng)。在光催化分解污染物方面，MoS?/WS?異質(zhì)結(jié)構(gòu)同樣表現(xiàn)出優(yōu)越的性能。以降解有機(jī)染料羅丹明B為例，單獨(dú)的WS?對(duì)羅丹明B的光催化分解速率較慢，在一定時(shí)間內(nèi)的降解率較低。而MoS?/WS?異質(zhì)結(jié)構(gòu)能夠顯著提高光催化分解羅丹明B的速率。這是因?yàn)楫愘|(zhì)結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了光吸收能力，產(chǎn)生了更多的光生載流子，并且有效地促進(jìn)了光生載流子的分離和傳輸，使得更多的光生載流子能夠遷移到催化劑表面，與污染物分子發(fā)生反應(yīng)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，在相同的光照條件和反應(yīng)時(shí)間下，MoS?/WS?異質(zhì)結(jié)構(gòu)對(duì)羅丹明B的降解率達(dá)到了90%以上，而單獨(dú)的WS?的降解率僅為30%左右，充分體現(xiàn)了MoS?/WS?異質(zhì)結(jié)構(gòu)在光催化分解污染物方面的優(yōu)勢。5.2CrSe?/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)光催化劑CrSe?是一種具有獨(dú)特晶體結(jié)構(gòu)的二維材料，屬于六方晶系，空間群為P-6m2。其晶體結(jié)構(gòu)由Cr原子和Se原子組成，Se原子形成六邊形密堆積結(jié)構(gòu)，Cr原子位于Se原子層之間的八面體空隙中。這種原子排列方式使得CrSe?具有較高的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。從電子結(jié)構(gòu)角度來看，CrSe?是K點(diǎn)的直接帶隙半導(dǎo)體，帶隙約為1.40eV，這一特性使其在可見光區(qū)域具有一定的光吸收能力。CrSe?具有較好的電學(xué)性能，其電子遷移率較高，能夠快速傳輸光生載流子。GaN同樣具有重要的晶體結(jié)構(gòu)和特性，它也屬于六方晶系，空間群為P-6m2，晶格常數(shù)約為3.22?。GaN具有較大的帶隙，在K點(diǎn)和Γ點(diǎn)之間為間接帶隙，約為3.31eV，這使得它對(duì)紫外光具有較強(qiáng)的吸收能力。GaN具有高擊穿場強(qiáng)、高電子遷移率和高飽和速度等優(yōu)異的電學(xué)性能。在光催化領(lǐng)域，GaN能夠利用紫外光激發(fā)產(chǎn)生光生載流子，參與光催化反應(yīng)。當(dāng)CrSe?與GaN形成異質(zhì)結(jié)構(gòu)時(shí)，對(duì)光吸收范圍和強(qiáng)度產(chǎn)生了顯著影響。通過理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測量發(fā)現(xiàn)，CrSe?/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)的光吸收范圍得到了拓展。CrSe?對(duì)可見光具有較好的吸收性能，而GaN對(duì)紫外光吸收較強(qiáng)，兩者結(jié)合后，異質(zhì)結(jié)構(gòu)能夠同時(shí)吸收可見光和紫外光，實(shí)現(xiàn)了對(duì)更寬光譜范圍的利用。在可見光區(qū)域，CrSe?的光吸收強(qiáng)度較弱，而GaN在該區(qū)域幾乎不吸收光，但形成異質(zhì)結(jié)構(gòu)后，由于界面處的協(xié)同作用，在可見光區(qū)域的光吸收強(qiáng)度得到了增強(qiáng)。在紫外光區(qū)域，GaN原本的光吸收強(qiáng)度也得到了進(jìn)一步提升。這是因?yàn)楫愘|(zhì)結(jié)構(gòu)界面處的電荷轉(zhuǎn)移和能帶彎曲等效應(yīng)，改變了材料的電子結(jié)構(gòu)，使得光吸收特性得到優(yōu)化。CrSe?/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)在光催化水分解性能方面表現(xiàn)出色。通過理論計(jì)算水分解過程中的析氫反應(yīng)（HER）和析氧反應(yīng)（OER）的吉布斯自由能發(fā)現(xiàn)，CrSe?/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)上HER的ΔG約為1.42eV，OER半反應(yīng)中，O到OOH的轉(zhuǎn)換是速率決定步驟，其值為2.95eV。從光生空穴的1.72eV電勢來看，O?不能自發(fā)產(chǎn)生，但當(dāng)施加外部電勢時(shí)，CrSe?/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)可以在實(shí)際的熱力學(xué)環(huán)境下對(duì)水進(jìn)行光催化分解。在實(shí)驗(yàn)中，CrSe?/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)光催化劑在光照條件下，能夠有效地將水分解為氫氣和氧氣，其光催化水分解的效率明顯高于單獨(dú)的CrSe?或GaN。這是因?yàn)楫愘|(zhì)結(jié)構(gòu)的形成促進(jìn)了光生載流子的分離和傳輸，減少了光生載流子的復(fù)合幾率，使得更多的光生載流子能夠參與到水分解反應(yīng)中。CrSe?/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性也較好，在多次循環(huán)光催化水分解實(shí)驗(yàn)后，其光催化性能沒有明顯下降，展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。5.3二維As?O?光催化劑二維As?O?具備較好的穩(wěn)定性，這為其在光催化領(lǐng)域的應(yīng)用提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。從結(jié)構(gòu)角度來看，二維As?O?的原子通過特定的化學(xué)鍵相互連接，形成了穩(wěn)定的二維平面結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性源于原子間的相互作用力，使得二維As?O?在一定條件下能夠保持其結(jié)構(gòu)完整性，不易發(fā)生變形或分解。通過密度泛函理論（DFT）計(jì)算，研究其原子間的鍵長、鍵角以及結(jié)合能等參數(shù)，發(fā)現(xiàn)其原子間的鍵長適中，鍵角穩(wěn)定，結(jié)合能較高，這表明原子間的相互作用較強(qiáng)，從而保證了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。從電子結(jié)構(gòu)方面分析，二維As?O?具有1.04eV的間接能隙。間接能隙的存在使得光生載流子的產(chǎn)生和復(fù)合過程具有一定的特點(diǎn)。在光激發(fā)下，電子需要吸收光子的能量并借助聲子的參與才能從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，產(chǎn)生光生電子-空穴對(duì)。這種間接躍遷過程相對(duì)直接能隙材料來說，光生載流子的產(chǎn)生效率可能較低，但也使得光生載流子的復(fù)合幾率相對(duì)較低。由于光生載流子的復(fù)合需要滿足一定的能量和動(dòng)量守恒條件，間接能隙材料中光生載流子的復(fù)合過程相對(duì)復(fù)雜，從而延長了光生載流子的壽命，有利于光催化反應(yīng)的進(jìn)行。基于形變勢理論進(jìn)一步計(jì)算As?O?的載流子遷移率，發(fā)現(xiàn)其電子和空穴的遷移率表現(xiàn)出明顯的各向異性。沿armchair方向的電子遷移率為1259.91cm2?V?1?s?1，空穴遷移率為115.41cm2?V?1?s?1；沿zigzag方向的電子遷移率為1254.21cm2?V?1?s?1，空穴遷移率為36.12cm2?V?1?s?1。這種各向異性的載流子遷移率與二維As?O?的晶體結(jié)構(gòu)和電子云分布密切相關(guān)。在armchair方向，原子的排列方式使得電子云的分布相對(duì)較為均勻，電子在該方向上的遷移受到的散射較小，因此遷移率較高；而在zigzag方向，原子的排列方式導(dǎo)致電子云的分布存在一定的起伏，電子在遷移過程中容易受到散射，從而降低了遷移率?？昭ǖ倪w移率也受到類似因素的影響，導(dǎo)致其在不同方向上的遷移率存在差異。對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)氫電極的氧化還原勢，二維As?O?具備2.57eV的氧化勢能，這表明其能夠光催化水裂解出O?、O?和H?O?等。當(dāng)光激發(fā)產(chǎn)生光生空穴后，空穴具有較高的氧化能力，能夠與水分子發(fā)生反應(yīng)，將水分子氧化為氧氣、臭氧和過氧化氫等。這種氧化能力使得二維As?O?在光催化水分解和環(huán)境凈化等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。在光催化水分解制氫過程中，光生空穴可以氧化水生成氧氣，同時(shí)光生電子可以還原質(zhì)子生成氫氣，實(shí)現(xiàn)水的全分解；在環(huán)境凈化方面，二維As?O?可以利用其氧化勢能降解有機(jī)污染物，將有機(jī)污染物氧化為二氧化碳和水等無害物質(zhì)。二維As?O?對(duì)可見光和紫外光表現(xiàn)出強(qiáng)烈的吸收效果，吸收系數(shù)高達(dá)10?cm?1。這種優(yōu)異的光吸收性能使得二維As?O?能夠充分利用太陽光中的能量，產(chǎn)生更多的光生載流子，為光催化反應(yīng)提供充足的驅(qū)動(dòng)力。其光吸收特性與電子結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，間接能隙的存在使得二維As?O?能夠吸收特定波長范圍的光，激發(fā)電子躍遷，產(chǎn)生光生載流子。二維As?O?的晶體結(jié)構(gòu)和原子排列方式也會(huì)影響光的吸收和散射，進(jìn)一步增強(qiáng)了其光吸收能力。六、研究成果與展望6.1研究成果總結(jié)本研究通過密度泛函理論（DFT）等理論計(jì)算方法，對(duì)二維光催化體系的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與性能調(diào)控進(jìn)行了深入的理論研究，取得了一系列具有重要意義的成果。在二維光催化體系的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，系統(tǒng)研究了單層、多層及異質(zhì)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原理和特性。對(duì)于單層結(jié)構(gòu)，明確了常見二維光催化材料如MoS?、WS?、石墨烯、黑磷等的原子結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)，以及晶格常數(shù)、鍵長、鍵角等結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)電子結(jié)構(gòu)和光吸收性能