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第1章 半导体光催化技术的发展与研究进展1

1.1光催化的发现、定义和发展历程1

1.2光催化技术的应用6

1.2.1太阳能光催化分解水制氢7

1.2.2纳米晶染料敏化太阳能电池8

1.2.3环境污染治理8

1.2.4光催化有机合成10

1.2.5防雾、自清洁11

1.2.6抗菌消毒和癌症治疗12

1.3半导体光催化技术的基本原理13

1.4影响光催化性能的关键因素17

1.4.1光源17

1.4.2反应条件18

1.4.3光催化材料的电子结构19

1.4.4光催化材料的晶体结构20

1.4.5光催化材料的晶格缺陷20

1.4.6光催化材料的表面结构21

1.4.7光催化材料的界面结构21

1.4.8光催化材料的纳米结构22

1.5光催化技术的实验研究进展22

1.5.1光催化机理的研究进展23

1.5.2传统光催化材料的改性研究24

1.5.3新型光催化材料的开发与探索27

1.5.4 光催化表面问题的研究进展29

1.5.5光催化界面问题的研究进展31

1.5.6纳米光催化材料的研究进展33

1.6在光催化研究中引入理论计算与模拟方法34

参考文献36

第2章 理论计算与模拟方法48

2.1计算材料学概述48

2.2理论计算与模拟的层次与分类51

2.2.1 电子结构的纳观尺度计算层次54

2.2.2原子（分子）体系结构演化的纳观-微观尺度计算层次54

2.2.3微纳与晶体缺陷结构的微观-介观尺度计算层次55

2.2.4准连续介质的介观尺度计算层次55

2.2.5连续介质的介观-宏观尺度计算层次56

2.2.6多尺度理论计算与模拟56

2.3基于量子力学的理论计算方法57

2.3.1第一性原理和从头算57

2.3.2非相对论近似58

2.3.3绝热近似59

2.3.4 Hartree-Fock近似60

2.3.5 密度泛函理论的起源63

2.3.6 Hohenberg-Kohn定理64

2.3.7 Kohn-Sham方程66

2.3.8交换-关联能泛函67

2.3.9第一性原理的数值计算71

2.3.10第一性原理的计算流程77

2.4确定性模拟方法：分子动力学78

2.4.1概述78

2.4.2基本原理80

2.4.3势函数82

2.4.4系综89

2.4.5数值计算90

2.4.6分子动力学中的基本问题93

2.4.7分子动力学的计算流程95

2.5随机性模拟方法：Monte-Carlo方法99

2.5.1概述99

2.5.2基本原理100

2.5.3 Monte-Carlo方法的数值计算103

2.5.4 Monte-Carlo方法的计算流程108

参考文献109

第3章 光催化材料的结构与基本物理性质114

3.1概述114

3.2晶体结构116

3.3电子结构122

3.3.1能带结构123

3.3.2态密度127

3.3.3电荷密度分布128

3.3.4布居分析131

3.4光学性质133

3.4.1介电函数134

3.4.2复折射率136

3.4.3反射光谱137

3.4.4 吸收光谱137

3.5新型光催化材料的理论设计140

3.5.1基本原则140

3.5.2多元金属氧化物142

3.5.3氮化物与氮氧化物146

3.5.4硫化物148

3.5.5铋基卤氧化物152

3.5.6有机聚合物半导体154

参考文献157

第4章 离子掺杂改性162

4.1概述162

4.2 3d过渡金属离子掺杂锐钛矿相TiO2164

4.2.1杂质形成能及晶体结构166

4.2.2电子结构与光学性质167

4.2.3带边位置174

4.3非金属阴离子掺杂锐钛矿相TiO2175

4.3.1杂质形成能及晶体结构176

4.3.2电子结构与光学性质177

4.3.3带边位置182

4.4镧系稀土离子掺杂锐钛矿相TiO2183

4.4.1杂质形成能及晶体结构184

4.4.2电子结构与光学性质188

4.4.3带边位置194

4.5 N-V共掺杂高效可见光激发锐钛矿相TiO2光催化剂的理论设计195

4.5.1杂质形成能及晶体结构197

4.5.2电子结构与光学性质199

4.5.3带边位置203

4.6 GaN：ZnO固溶体光催化材料的结构与性质204

4.6.1GaN：ZnO固溶体的晶体结构205

4.6.2GaN：ZnO固溶体的电子结构207

参考文献210

第5章 表面微观结构与性质216

5.1概述216

5.2锐钛矿相TiO2低指数表面的微观结构与性质219

5.2.1表面模型220

5.2.2表面基本性质222

5.2.3（101）表面224

5.2.4 （100）表面227

5.2.5 （001）表面228

5.2.6（103）表面230

5.2.7 （110）表面233

5.2.8表面电子结构235

5.2.9表面结构与性质特征250

5.3锐钛矿相TiO2 （001）-（1×4）重构表面251

5.3.1实验现象252

5.3.2理论计算254

5.4 N/V单掺杂及共掺杂对锐钛矿相TiO2（101）表面的改性258

5.4.1 N单掺杂改性TiO2 （101）表面258

5.4.2 V单掺杂改性TiO2（101）表面262

5.4.3 N-V共掺杂改性TiO2 （101）表面266

5.4.4 N-V共掺杂的合成路线271

5.5 Ptn团簇在锐钛矿相TiO2 （101）表面上的生长273

5.5.1 Ptn团簇的稳定结构275

5.5.2 Ptn团簇的团簇能277

5.5.3 Ptn团簇的原子扩散279

5.5.4 Ptn团簇的电子结构280

参考文献282

第6章 表面吸附与反应288

6.1概述288

6.2水分子在锐钛矿相TiO2（101）表面的吸附与扩散290

6.2.1相互作用势能291

6.2.2成键机理294

6.2.3表面扩散296

6.3水分子在锐钛矿相TiO2低指数表面的吸附与分解298

6.3.1水在TiO2 （10 1）表面的吸附和分解299

6.3.2水在TiO2 （100）表面的吸附和分解301

6.3.3水在TiO2 （001）表面的吸附和分解302

6.3.4水在TiO2 （103）表面的吸附和分解304

6.3.5水在TiO2（103）表面的吸附和分解307

6.3.6水在TiO2 （110）表面的吸附和分解309

6.3.7水在TiO2表面分解的机理分析310

6.4水分子在锐钛矿相TiO2 （101）改性表面的吸附与分解315

6.4.1水在N掺杂表面的吸附和分解316

6.4.2水在V掺杂表面的吸附和分解318

6.4.3水在N-V共掺杂表面的吸附和分解321

6.4.4水在含氧空位表面的吸附和分解325

6.4.5表面改性对水的吸附和分解影响328

参考文献331

第7章 界面微观结构与性质336

7.1概述336

7.2水与锐钛矿相TiO2的固-液界面338

7.2.1固-液界面的形成与微观结构339

7.2.2固-液界面的静态性质343

7.2.3固-液界面的动态结构和性质345

7.3金红石相与锐钛矿相TiO2的固-固界面350

7.3.1模型构建方法351

7.3.2不同晶面构建的界面比较353

7.3.3金红石相（100）／锐钛矿相TiO2（100）界面的电子结构357

7.4光催化中异质结构的界面结构与性质359

7.4.1 SiO2/TiO2界面360

7.4.2石墨烯/TiO2界面362

7.4.3 BiOCl/Bi2 WO6异质结构中的界面缺陷366

参考文献368

第8章 纳米光催化材料的结构与性质374

8.1概述374

8.2纳米（TiO2）n团簇的稳定性和电子结构377

8.2.1计算方法377

8.2.2 （TiO2）n团簇的稳定结构379

8.2.3 （TiO2）n团簇的电子结构383

8.2.4水分子在（TiO2）n团簇上的吸附386

8.3 TiO2纳米管的结构和性质388

8.3.1 TiO2纳米管的建模与稳定结构389

8.3.2 TiO2纳米管的电子结构与光学性质394

8.3.3水在TiO2纳米管及纳米管阵列上的解离反应396

8.3.4 CdS量子点担载在TiO2纳米管的结构与性质399

8.4二维纳米光催化材料的结构和性质404

8.4.1 TiO2纳米片的结构和性质405

8.4.2层状光催化材料的结构和性质410

参考文献414