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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TiO2 164

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TiO2 175

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TiO2 183

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