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利用太阳能光解水制备氢气，将太阳能转化为化学能，直接向基础化工提供原料，是当前最有希望解决环境和能源问题的技术之一，高效光催化剂是该技术的关键。二硫化钼(MoS2)是一种含有优良光电特性的p型半导体，具备适宜的能带位置、可见光响应及储存丰富等特性，已在有机物降解、固氮和二氧化碳转化等方面表现出较强的催化活性。但纯粹MoS2块体的应用往往受限于光响应范围有限、电子空穴易复合和材料稳定性差等缺陷。许多研究者已经运用了一系列的手段对其进行改性，如：掺杂、构建缺陷、调控晶相、搭建异质结等，但研究普遍注重实验现象和结果，而对MoS2以及其异质结光催化性能提高的内在机制缺乏深入探讨。
基于以上问题，本文以第一性原理为基础，从电子结构出发，结合能带、有效质量、光吸收等，解释MoS2基异质结催化作用的微观机理且进一步尝试设计新型异质结。在此基础上运用理论模拟界面和应力调控等实验手段对异质结催化性能的影响，为实验上理解光催化原理和设计催化剂提供一定的理论参考。本文主要的研究成果及创新点如下：
1.基于课题组已有的实验结果，理论构建MoS2/CdS范德瓦尔斯异质结，研究CdS的不同界面((100)和(001)面)对MoS2/CdS光催化产氢性能的影响，以求寻找最佳的接触界面。计算结果表明，MoS2/CdS(100)结合能更负于MoS2/CdS(001)，意味着材料本身的稳定性增强。其带隙值明显小于MoS2、CdS和MoS2/CdS(001)，这源于MoS2/CdS(100)界面暴露了更多的S和Cd原子，使得S3p轨道提供了新的能级，导致价带位置上移，进一步促进光响应范围增大，尤其是对可见光有较强吸收。此外，MoS2/CdS(100)为type-Ⅱ型异质结，由价带和导带位置相对偏移量可知，材料内部产生了一定的内建电场，推动电子由CdS层向MoS2层转移，有助于光生载流子分离，最终表现为产氢能力增强。综上所述，CdS(100)面为最佳接触表面，这与本课题组已有实验结果吻合。
2.理论设计了新型全光域范围响应的异质结MoS2/α-In2Se3，并研究了不同应力条件作用于异质结上时氧化能力的差异，通过协同Perdew-Burke-Ernzerhof(PBE)和Heyd–Scuseria–Ernzerhof(HSE)两种计算方法，对异质结的电子结构和光学特性进行了详细分析，探求最高催化效率下的最佳应力水平。计算结果揭示，随着应力由-4%、-2%、0%、2%、4%逐渐变化，复合催化剂的价带随之向下偏移，带隙逐渐减小，光吸收范围扩大且强度依次增强，由最初的红外光扩充至近红外光响应，材料的氧化能力相应提升，催化应用领域随即扩展。最终正应力达到4%时，可以较大程度地提高MoS2/α-In2Se3的光催化氧化能力。
基于以上问题，本文以第一性原理为基础，从电子结构出发，结合能带、有效质量、光吸收等，解释MoS2基异质结催化作用的微观机理且进一步尝试设计新型异质结。在此基础上运用理论模拟界面和应力调控等实验手段对异质结催化性能的影响，为实验上理解光催化原理和设计催化剂提供一定的理论参考。本文主要的研究成果及创新点如下：
1.基于课题组已有的实验结果，理论构建MoS2/CdS范德瓦尔斯异质结，研究CdS的不同界面((100)和(001)面)对MoS2/CdS光催化产氢性能的影响，以求寻找最佳的接触界面。计算结果表明，MoS2/CdS(100)结合能更负于MoS2/CdS(001)，意味着材料本身的稳定性增强。其带隙值明显小于MoS2、CdS和MoS2/CdS(001)，这源于MoS2/CdS(100)界面暴露了更多的S和Cd原子，使得S3p轨道提供了新的能级，导致价带位置上移，进一步促进光响应范围增大，尤其是对可见光有较强吸收。此外，MoS2/CdS(100)为type-Ⅱ型异质结，由价带和导带位置相对偏移量可知，材料内部产生了一定的内建电场，推动电子由CdS层向MoS2层转移，有助于光生载流子分离，最终表现为产氢能力增强。综上所述，CdS(100)面为最佳接触表面，这与本课题组已有实验结果吻合。
2.理论设计了新型全光域范围响应的异质结MoS2/α-In2Se3，并研究了不同应力条件作用于异质结上时氧化能力的差异，通过协同Perdew-Burke-Ernzerhof(PBE)和Heyd–Scuseria–Ernzerhof(HSE)两种计算方法，对异质结的电子结构和光学特性进行了详细分析，探求最高催化效率下的最佳应力水平。计算结果揭示，随着应力由-4%、-2%、0%、2%、4%逐渐变化，复合催化剂的价带随之向下偏移，带隙逐渐减小，光吸收范围扩大且强度依次增强，由最初的红外光扩充至近红外光响应，材料的氧化能力相应提升，催化应用领域随即扩展。最终正应力达到4%时，可以较大程度地提高MoS2/α-In2Se3的光催化氧化能力。