石墨相碳氮化物光催化分解水机理的第一性原理研究

With rapid development of photocatalytic water-splitting in recent years, it is urgent to understand the mechanism from excited-state molecular dynamics and how to improve the efficiencies. It is likely that the electronic excited-states of catalysts can promote water dissociation via electronic transfer. Recent development of the graphitic carbon nitride (g-C3N4) has further boosted the fundamental research of photocatalysis. It would be of significant importance to elucidate the mechanisms of water photo-splitting catalyzed by g-C3N4 on the atomic scale..We intend to systematically investigate the interaction between excited states of g-C3N4 and water molecular vibration from first principles, construct an unambiguous link between excited states and molecular vibration, and to find a new way for designing photo-catalysis system.

随着光催化分解水的迅速发展，对于光催化分解水的动力学机理以及如何提高光催化分解水效率等问题显得尤为迫切。在诸多关于光催化分解水的研究中，催化剂的电子激发态被认为是驱动水分解的主要因素。近些年来，许多研究发现石墨相碳氮化物（g-C3N4）作为二维材料，具有很好的光催化性。从原子尺度上更系统深入的理解g-C3N4在激发态下水分解的机制对光催化的具有重要意义。.本项目基于含时密度泛函理论，从原子尺度上研究g-C3N4在光激发下催化分解水的动力学过程，特别是光催化反应过程中g-C3N4的激发态与水分子振动模式的耦合作用。探索激发态中化学键振动的变化，为选取光催化剂提供新思路。

由于表面体系的激发态计算量大，我们对于表面体系上发生的光化学反应的研究手段非常有限。.为了使用TDDFT研究以石墨相石墨相碳氮化物等二维材料的表面体系的激发态及其光催化水分解的反应，我们在KSSOLV代码上，实现了LR-TDDFT的计算和RT-TDDFT的计算代码。参考CDFT、OC-DFT和SCF等方法，发展了DSCF方法用于筛选特定激发态的能量、受力等。.在此基础上计算了石墨相碳氮化物、TiO2表面上水、乙烯等小分子分解反应，完成了石墨相碳氮化物上水分解的电子结构。另外，参考Ehrenfest方法，为LR-TDDFT、DSCF提供受力计算，为激发态动力学提供方法准备。.我们发展了快速、高效的计算大体系的激发态的方法，在此基础上研究表面的小分子光分解的问题，揭示了分子光分解的过程与分子和激发态耦合的强弱的关系，为进一步研究表面体系的光催化反应提供了新思路。