外应变对光催化材料电子结构和光学性质调控的理论研究

Utilizing solar energy efficiently has become more and more emergent for human being because of energy crisis and environment crisis. As photocatalytic materials have the ability to not only utilize and transfer solar energy but counteract environmental degradation, photocatalytic materials gain much attention of scientists. One of main challenges for is searching approaches to extend the absorption of light from UV region to the visible region and enhance the utility efficiency of solar energy. The first property relevant to the photocatalytic activity of a semiconductor is its energy band configuration, which determines the absorption of incident photons, the photoexcitation of electron-hole pairs, the migration of carriers, and the redox capabilities of excited-state electrons and holes. In this project, the first principle method is employed to calculate the impact of external strain on the electronic and optical property of typical photocatalytic materials and explore the impact of the utility efficiency of solar energy with external strain. Through this project, I hope to explore the possibility of utilizing external strain to tune the electronic and optical property of photocatalytic materials and search a method to enhance the photocatalytic efficiency.

当前能源危机和环境危机使得高效利用太阳能成为了人类社会发展的迫切需求。光催化材料既是太阳能利用与转换材料，也是环境净化材料，对解决环境和能源问题有巨大的应用前景，成为国际材料科学领域的重大课题。光催化技术的重要问题是将光催化材料太阳能吸收范围从紫外部分扩展至可见光部分，提高太阳能吸收率。而光催化材料的太阳能利用率主要由材料的电子性质和光学性质决定。本项目拟利用第一性原理的方法，研究光催化材料电子性质和光学性质随外应变的变化规律，探索外应变对光催化材料的太阳能利用率的影响，并进一步研究光催化材料的力学性质和电子性质的关联，计算实验上提高光催化材料太阳能利用率的实验条件。通过该项目研究，可以探索用外应变调控光催化材料的电子性质和光学性质的可能性，为提高光催化材料太阳能利用效率寻找可行的方法。

光催化技术为解决当今社会日益严重的环境和能源问题提供了一种有效的解决方法。而光催化技术广泛应用需要光催化材料具有高的太阳能吸收效率和电荷空穴分离。目前的主流光催化材料很难同时具有这些特点。外应变和掺杂是可能的调控技术，因此我们重点从理论上研究了外应变和掺杂对光催化材料的电子结构影响，希望从理论上指导高效的光催化材料的制备。. 本项目重点关注了常见光催化材料带隙和光吸收随外应变和掺杂影响的变化规律。取得的关键科学数据如下：. 1.系统地研究了应变对BiCuOCh（Ch=S,Se,Te）的电子结构的影响，我们发现应变会极大地改变该系统的带隙，甚至发生绝缘体金属相变，同时我们发现带隙和应变的非线性变化。. 2.系统地研究了应变对g-CN金属结构的结合以及催化性能的影响。我们发现g-CN和金属的结合能近似随应变线性变化，同时应变可以调控该系统的催化性能。. 3.利用密度泛函理论，研究了在激光照射下，缺陷对二维MoTe2结构相变的影响，发现激光照射会产生缺陷，而缺陷的存在可以减低MoTe2结构相变势垒，促进相变的发生，同时结构相变会导致的振动模式的变化，改变了MoTe2也激光的相互作用模式，从而解释了实验上发现的激光诱导的MoTe2不可逆结构相变的现象。. 4.利用第一性原理的方法研究发现，在激发态时，Pt-g-C3N4直接会发生电荷转移，从而提出金属配体电荷转移机制提升电荷转移的机理，同时缩小带隙提升光吸收，共同提升光催化性能。. 5.与实验合作，系统的研究了VO2中H掺杂诱导的连续的绝缘体-金属-绝缘体相变的机制，我们发现， H掺杂会与VO2中的O成键，H原子失去电子，O得到电荷，间接的转移到V原子上，从而填充了V的d电子数目，随着H掺杂浓度的提高，d带的占据数逐渐增加，当d带的子带部分填充时，系统表现为金属性，而当子带完全填充时，系统表现为绝缘体态，此发现为调控VO2的性质提供了一个很好的方法。.. 在本项目的资助下，本人以第一作者和共同第一作者的身份发表论文4篇，合作作者的身份发表论文9篇，授权专利1项。