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近年來，光催化技術在新能源開發和環境污染治理方面受到了越來越廣泛的關注。與此同時，理論計算與模擬方法作為一種深入探討光催化機理、開發高效可見光激發的新型光催化材料的有力工具也逐步成為常規的研究手段。本書是關于理論計算與模擬方法在光催化研究中各個不同方面（光催化材料的結構、基本性質、離子摻雜改性、表面與界面的微觀結構與性質、表面吸附與反應、以及納米光催化材料的結構與性質等）應用的一本專著，通過典型實例詳細介紹了理論計算與模擬方法在光催化研究中遇到的基本科學問題、計算方法的設置、計算結果的分析解釋。本書內容豐富、資料翔實，為光催化技術的機理研究、新型光催化材料的開發、以及相關技術提供了參考。
名人/編輯推薦
《理論計算與模擬在光催化研究中的應用》內容豐富、資料翔實，為光催化技術的機理研究、新型光催化材料的開發、以及相關技術提供了參考。
目次
前言
第1章半導體光催化技術的發展與研究進展
1.1光催化的發現、定義和發展歷程
1.2光催化技術的應用
1.2.1太陽能光催化分解水制氫
1.2.2納米晶染料敏化太陽能電池
1.2.3環境污染治理
1.2.4光催化有機合成
1.2.5防霧、自清潔
1.2.6抗菌消毒和癌癥治療
1.3半導體光催化技術的基本原理
1.4影響光催化性能的關鍵因素
1.4.1光源
1.4.2反應條件
1.4.3光催化材料的電子結構
1.4.4光催化材料的晶體結構
1.4.5光催化材料的品格缺陷
1.4.6光催化材料的表面結構
1.4.7光催化材料的界面結構
1.4.8光催化材料的納米結構
1.5光催化技術的實驗研究進展
1.5.1光催化機理的研究進展
1.5.2傳統光催化材料的改性研究
1.5.3新型光催化材料的開發與探索
1.5.4光催化表面問題的研究進展
1.5.5光催化界面問題的研究進展
1.5.6納米光催化材料的研究進展
1.6在光催化研究中引入理論計算與模擬方法
參考文獻
第2章理論計算與模擬方法
2.1計算材料學概述
2.2理論計算與模擬的層次與分類
2.2.1電子結構的納觀尺度計算層次
2.2.2原子（分子）體系結構演化的納觀—微觀尺度計算層次
2.2.3微納與晶體缺陷結構的微觀—介觀尺度計算層次
2.2.4準連續介質的介觀尺度計算層次
2.2.5連續介質的介觀—宏觀尺度計算層次
2.2.6多尺度理論計算與模擬
2.3基于量子力學的理論計算方法
2.3.1第一性原理和從頭算
2.3.2非相對論近似
2.3.3絕熱近似
2.3.4Hartree—Fock近似
2.3.5密度泛函理論的起源
2.3.6Hohenberg—Kohn定理
2.3.7Kohn—Sham方程
2.3.8交換關聯能泛函
2.3.9第一性原理的數值計算
2.3.10第一性原理的計算流程
2.4確定性模擬方法：分子動力學
2.4.1概述
2.4.2基本原理
2.4.3勢函數
2.4.4系綜
2.4.5數值計算
2.4.6分子動力學中的基本問題
2.4.7分子動力學的計算流程
2.5隨機性模擬方法：Monte—Carlo方法
2.5.1概述
2.5.2基本原理
2.5.3Monte—Carlo方法的數值計算
2.5.4Monte—Carlo方法的計算流程
參考文獻
第3章光催化材料的結構與基本物理性質
3.1概述
3.2晶體結構
3.3電子結構
3.3.1能帶結構
3.3.2態密度
3.3.3電荷密度分布
3.3.4布居分析
3.4光學性質
3.4.1介電函數
3.4.2復折射率
3.4.3反射光譜
3.4.4吸收光譜
3.5新型光催化材料的理論設計
3.5.1基本原則
3.5.2多元金屬氧化物
3.5.3氮化物與氮氧化物
3.5.4硫化物
3.5.5鉍基鹵氧化物
3.5.6有機聚合物半導體
參考文獻
第4章離子摻雜改性
4.1概述
4.23d過渡金屬離子摻雜銳鈦礦相TiO2
4.2.1雜質形成能及晶體結構
4.2.2電子結構與光學性質
4.2.3帶邊位置
4.3非金屬陰離子摻雜銳鈦礦相TiO2
4.3.1雜質形成能及晶體結構
4.3.2電子結構與光學性質
4.3.3帶邊位置
4.4鑭系稀土離子摻雜銳鈦礦相TiO2
4.4.1雜質形成能及晶體結構
4.4.2電子結構與光學性質
4.4.3帶邊位置
4.5N—V共摻雜高效可見光激發銳鈦礦相TiO2光催化劑的理論設計
4.5.1雜質形成能及晶體結構
4.5.2電子結構與光學性質
4.5.3帶邊位置
4.6GaN:ZnO固溶體光催化材料的結構與性質
4.6.1GaN:ZnO固溶體的晶體結構
4.6.2GaN:ZnO固溶體的電子結構
參考文獻
第5章表面微觀結構與性質
5.1概述
5.2銳鈦礦相TiO2低指數表面的微觀結構與性質
5.2.1表面模型
5.2.2表面基本性質
5.2.3（101）表面
5.2.4（100）表面
5.2.5（001）表面
5.2.6（103）表面
5.2.7（110）表面
5.2.8表面電子結構
5.2.9表面結構與性質特征
5.3銳鈦礦相TiO2（001）—（1×4）重構表面
5.3.1實驗現象
5.3.2理論計算
5.4N/V單摻雜及共摻雜對銳鈦礦相TiO2（101）表面的改性
5.4.1N單摻雜改性TiO2（101）表面
5.4.2V單摻雜改性TiO2（101）表面
5.4.3N—V共摻雜改性TiO2（101）表面
5.4.4N—V共摻雜的合成路線
5.5Ptn團簇在銳鈦礦相TiO2（101）表面上的生長
5.5.1Ptn團簇的穩定結構
5.5.2Ptn團簇的團簇能
5.5.3Ptn團簇的原子擴散
5.5.4Ptn團簇的電子結構
參考文獻
……
第6章表面吸附與反應
第7章界面微觀結構與性質
第8章納米光催化材料的結構與性質
第1章半導體光催化技術的發展與研究進展
1.1光催化的發現、定義和發展歷程
1.2光催化技術的應用
1.2.1太陽能光催化分解水制氫
1.2.2納米晶染料敏化太陽能電池
1.2.3環境污染治理
1.2.4光催化有機合成
1.2.5防霧、自清潔
1.2.6抗菌消毒和癌癥治療
1.3半導體光催化技術的基本原理
1.4影響光催化性能的關鍵因素
1.4.1光源
1.4.2反應條件
1.4.3光催化材料的電子結構
1.4.4光催化材料的晶體結構
1.4.5光催化材料的品格缺陷
1.4.6光催化材料的表面結構
1.4.7光催化材料的界面結構
1.4.8光催化材料的納米結構
1.5光催化技術的實驗研究進展
1.5.1光催化機理的研究進展
1.5.2傳統光催化材料的改性研究
1.5.3新型光催化材料的開發與探索
1.5.4光催化表面問題的研究進展
1.5.5光催化界面問題的研究進展
1.5.6納米光催化材料的研究進展
1.6在光催化研究中引入理論計算與模擬方法
參考文獻
第2章理論計算與模擬方法
2.1計算材料學概述
2.2理論計算與模擬的層次與分類
2.2.1電子結構的納觀尺度計算層次
2.2.2原子（分子）體系結構演化的納觀—微觀尺度計算層次
2.2.3微納與晶體缺陷結構的微觀—介觀尺度計算層次
2.2.4準連續介質的介觀尺度計算層次
2.2.5連續介質的介觀—宏觀尺度計算層次
2.2.6多尺度理論計算與模擬
2.3基于量子力學的理論計算方法
2.3.1第一性原理和從頭算
2.3.2非相對論近似
2.3.3絕熱近似
2.3.4Hartree—Fock近似
2.3.5密度泛函理論的起源
2.3.6Hohenberg—Kohn定理
2.3.7Kohn—Sham方程
2.3.8交換關聯能泛函
2.3.9第一性原理的數值計算
2.3.10第一性原理的計算流程
2.4確定性模擬方法：分子動力學
2.4.1概述
2.4.2基本原理
2.4.3勢函數
2.4.4系綜
2.4.5數值計算
2.4.6分子動力學中的基本問題
2.4.7分子動力學的計算流程
2.5隨機性模擬方法：Monte—Carlo方法
2.5.1概述
2.5.2基本原理
2.5.3Monte—Carlo方法的數值計算
2.5.4Monte—Carlo方法的計算流程
參考文獻
第3章光催化材料的結構與基本物理性質
3.1概述
3.2晶體結構
3.3電子結構
3.3.1能帶結構
3.3.2態密度
3.3.3電荷密度分布
3.3.4布居分析
3.4光學性質
3.4.1介電函數
3.4.2復折射率
3.4.3反射光譜
3.4.4吸收光譜
3.5新型光催化材料的理論設計
3.5.1基本原則
3.5.2多元金屬氧化物
3.5.3氮化物與氮氧化物
3.5.4硫化物
3.5.5鉍基鹵氧化物
3.5.6有機聚合物半導體
參考文獻
第4章離子摻雜改性
4.1概述
4.23d過渡金屬離子摻雜銳鈦礦相TiO2
4.2.1雜質形成能及晶體結構
4.2.2電子結構與光學性質
4.2.3帶邊位置
4.3非金屬陰離子摻雜銳鈦礦相TiO2
4.3.1雜質形成能及晶體結構
4.3.2電子結構與光學性質
4.3.3帶邊位置
4.4鑭系稀土離子摻雜銳鈦礦相TiO2
4.4.1雜質形成能及晶體結構
4.4.2電子結構與光學性質
4.4.3帶邊位置
4.5N—V共摻雜高效可見光激發銳鈦礦相TiO2光催化劑的理論設計
4.5.1雜質形成能及晶體結構
4.5.2電子結構與光學性質
4.5.3帶邊位置
4.6GaN:ZnO固溶體光催化材料的結構與性質
4.6.1GaN:ZnO固溶體的晶體結構
4.6.2GaN:ZnO固溶體的電子結構
參考文獻
第5章表面微觀結構與性質
5.1概述
5.2銳鈦礦相TiO2低指數表面的微觀結構與性質
5.2.1表面模型
5.2.2表面基本性質
5.2.3（101）表面
5.2.4（100）表面
5.2.5（001）表面
5.2.6（103）表面
5.2.7（110）表面
5.2.8表面電子結構
5.2.9表面結構與性質特征
5.3銳鈦礦相TiO2（001）—（1×4）重構表面
5.3.1實驗現象
5.3.2理論計算
5.4N/V單摻雜及共摻雜對銳鈦礦相TiO2（101）表面的改性
5.4.1N單摻雜改性TiO2（101）表面
5.4.2V單摻雜改性TiO2（101）表面
5.4.3N—V共摻雜改性TiO2（101）表面
5.4.4N—V共摻雜的合成路線
5.5Ptn團簇在銳鈦礦相TiO2（101）表面上的生長
5.5.1Ptn團簇的穩定結構
5.5.2Ptn團簇的團簇能
5.5.3Ptn團簇的原子擴散
5.5.4Ptn團簇的電子結構
參考文獻
……
第6章表面吸附與反應
第7章界面微觀結構與性質
第8章納米光催化材料的結構與性質
書摘/試閱
很多分析和能帶的分析結果可以一一對應，很多術語也和能帶分析相通。但是因為它更直觀，因此在結果討論中用得比能帶分析更廣泛一些，經常用于電子結構的快速可視分析，價帶寬度、帶隙及電子態密度的主要特征處的強度和數目等特性有助于定性解釋實驗得到的光譜數據。
局域態密度（local density of states，LDOS）和分波態密度（partial density of states，PDOS）是對電子結構分析十分有用的半定量工具。局域態密度顯示系統中各原子的電子態對態密度譜是每一部分的貢獻；分波態密度則是根據電子態的角動量來進一步分辨這些貢獻，確定態密度的主要峰具體來自s、p、d或f等電子態的貢獻。局域態密度和分波態密度的分析可以對體系中電子軌道雜化的本質和體系的XPS譜、光譜中主要特征的來源提供定性解釋。
Asahi等得到如圖3—6所示的純銳鈦礦相TiO2的總態密度和分波態密度圖。從圖中可以看到，在—18～—15eV處的態密度峰主要來自于O—2s電子態的貢獻；費米能級附近的價帶主要由O—2p電子態組成，其寬度為4.394eV，這與由XPS測得的4.75eV價帶寬度是基本吻合的；費米能級附近的導帶主要由Ti3d電子態組成，其寬度為4.753eV；能量高于8eV以上區域的態密度主要表現為O—2s和O—2p電子態的特征。在費米能級附近，價帶頂以下的區域和導帶底以上的區域表現出非常明顯的O—2p電子態和Ti—3d電子態之間的雜化現象。根據晶體場理論，在銳鈦礦相TiO2的晶胞中一個Ti4+被六個O2—包圍，構成TiO6八面體結構，Ti的3d電子態分裂為兩組：能量較高的eg（dz2、dx2+y2）電子態和能量較低的t2g（dxy、dyz、dxz）電子態。這就使TiO2導帶分為兩部分：能量較高的部分由O—2p電子態和Ti—eg電子態構成，其寬度為2.351eV；能量較低的部分由O—2p電子態和Ti—t2g電子態構成，其寬度為2.364eV。
為了進一步分析原子之間的鍵合信息，可以把總態密度分解為分波態密度：Ti—eg電子態、Ti—t2g電子態（包括dyx、dzx和dxy三個電子態）、O—pσ。電子態（位于Ti3O團簇之中）、O—pπ電子態（位于Ti3O團簇之外）。上部的價帶可以分為三個主要區域：位于低能區主要來自O—pσ電子態貢獻的σ成鍵態；位于中能區主要的π成鍵態；位于高能區的O—pπ電子態，在此區域與Ti—3d電子態的雜化現象幾乎不存在，因此價帶頂是O—pσ電子態形成的非成鍵態。
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