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摘 要

二硫化钼（MoS₂）是一种性能优异的光催化材料，可用于光解水制氢、降解有机污染物，是解决能源问题和环境污染问题的潜在催化剂之一。近年来，人们已经观察到各种MoS₂基的纳米材料对光催化性能的增强，但是在电子级别上，单分子层的MoS₂的作用还未被很好地阐明。本文以MoS₂/ SnO₂纳米复合材料模型系统作为研究对象，利用第一性原理（first principle theory）方法计算MoS₂主晶面与SnO₂主晶面的晶面结合能进行运算，并与实验结果进行对比分析，揭示了单层MoS₂在纳米复合催化剂中所起到的强化光催化活性与材料稳定性的作用。

关键词：二硫化钼、光催化、第一性原理计算

First Principle Study of Heterogeneous Interface of MoS₂-SnO₂

ABSTRACT

Molybdenum disulfide (MoS₂) is a kind of excellent photocatalytic materials, which is used to produce hydrogen, degrade organic pollutants, is regarded as one of the potential catalysts to solve energy problems and environmental pollution. Recently, people have observed the enhancement of photocatalytic abilities of all kinds of MoS₂-based nanomaterials. But in electronic level, the role of monolayer MoS₂ has not been well elucidated. This article based on MoS₂/SnO₂ nanocomposite model system as the research object, calculate the crystal binding energy of MoS₂ main crystal face and SnO₂ main crystal face by using the first principle theory method, and then compare the statistics with experimental results. Finally, it reveals the dual role of monolayer MoS₂ in photocatalytic activity and stability.

Key words: Molybdenum disulfide, photocatalyst, first principle calculation

目 录

摘 要 I

ABSTRACT II

第一章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 半导体光催化技术简介 1

1.3 MoS₂材料研究概述 1

1.3.1 MoS₂基本结构与性质 1

1.3.2 MoS₂复合材料催化剂国内外研究进展 2

1.4 SnO₂材料研究概述 3

1.5 第一性原理计算概述 5

1.6 本课题的研究目的和意义 6

第二章 计算方案 7

2.1 计算软件 7

2.2 计算前准备 7

第三章 计算细节与实验结论预测 8

3.1 几何结构 8

3.2 能带结构与态密度 9

3.3 电荷的迁移与机理分析 11

3.4 强化光催化性能的预测 12

第四章 结论与展望 15

参考文献 16

致谢 19

第一章 绪论

1.1 研究背景

21世纪以来，由于人类在快速发展工业技术的同时，没有正确预估其带来的负面影响，全球能源与环境正遭受到前所未有的挑战。早在五年之前，中国已经成为了世界上最大的能源生产与消费国，如果继续只依靠煤、石油、天然气等高污染的原料作为主要的能源供应手段，那么我国的生态环境与能源紧缩问题将会愈演愈烈。开发新型绿色能源、减少科技发展所伴随的环境污染问题已经成为了我国工业发展的重中之重。其中，光催化在处理降解水污染等方面有着潜在的应用价值，其对于我国能源供给、生态环境的平衡、产业结构调整等方面都有着重要的意义。

1.2 半导体光催化技术简介

半导体的光催化活性首先由Frank和Bard在TiO₂等半导体材料中发现^[1],并对其在氰化物的降解性能方面进行了研究。随后，Ollis等人研究了光催化剂在降解各种有机化合物方面的潜在应用^[2]。

当特定能量的电磁辐射照射在半导体光催化剂表面时，价带（valence band）电子被激发至导带（conduction band）。这分别导致价带和导带中正电子和空穴的形成。正极空穴可以直接氧化污染物，也可以间接氧化水产生能够降解污染物的羟基自由基。光催化材料导带的电子还原了被吸附的氧，为了保持光催化剂的活性，必须同时进行污染物的氧化和氧气的还原，以避免正极光生电子与空穴的重新复合。

在过去的四十年中，半导体光催化剂的加工领域得到了迅速的发展。特别是在有机污染物分解和水分解方面已经取得了显著的进展。该领域的重大进展主要是基于二氧化钛(TiO₂)，二氧化钛具有很强的氧化还原潜力和良好的光催化活性。但是，该材料3.2 eV的宽带隙阻碍了其适用性，因为它只能通过仅占太阳光谱3%的紫外线辐射驱动^[3]。而MoS₂材料近年逐渐走进了学者们的视野，因为其优良的性能而受到广泛关注。

1.3 MoS₂材料研究概述

1.3.1 MoS₂基本结构与性质

在自然界中，几乎所有的生物都需要微量元素Mo, Mo是多种酶(如固氮酶)的催化中心。固氮酶的活性中心含有一个或多个通常与硫结合的金属原子，如活性的Mo-S和Fe-S簇^[4]。在固氮过程中，Mo-S和Fe-S位点激活惰性N₂与H 反应，生成NH₃和H₂^[5]。这表明，基于从MoS₂到H 的电子转移，MoS₂是一种很有前途的演化氢气的催化剂^[6]。

二硫化钼（MoS₂）具有1T、2H、3R三种晶体结构，它们各自的结构示意图如图1-1所示。其中，1T和3R属于亚稳态结构，一般情况下把2H作为MoS₂的稳定构型。1T- MoS₂是金属结构，2H- MoS₂是半导体结构。每个MoS₂层内原子按平面六角状排列，夹心三明治形状的S-Mo-S层间厚度为0.315nm,中间为Mo原子，S原子分处两端。

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