清洁可再生的能源是实现“双碳”目标的基础。氢气已经被认为是一种清洁可再生的能源,因此高效制备氢气的方法得到了广泛的关注。利用太阳光结合半导体光催化剂分解水产生氢气,从能量转换的角度看就是实现太阳能转换为氢能,是近年发展较快的制氢方法。但是,目前高效的半导体光催化剂依然缺乏,因此发现新型光催化剂成为近年来能源、材料和催化学科的前沿热点。低维半导体光催化剂由于其优异的电子性质和光学性质而得到了广泛的研究和应用,但并非都适合太阳光催化析氢。因此我们基于第一性原理研究二维MgP3单层用作光催化剂的可行性和不同边缘修饰一维Sb纳米带及其太阳能转氢率。从而为实验上制备高效的光催化剂提供理论指导。主要研究内容为:1.构建和优化了二维XP3单层家族的新成员三磷化镁（MgP3）的几何结构。并分别通过声子谱计算和从头算分子动力学模拟来确认动力学和热稳定性。基于HSE06计算结果表明,小于8%的应变可以诱导MgP3单层的带隙在0.32到1.35e V的大范围内变化,无应变的MgP3单层具有1.18 e V的直接带隙、在可见光和紫外光区有强的光吸收,且应变工程可以显著影响带隙和光吸收。载流子迁移率高于先前报道的几种XP3单层,且电子和空穴载流子迁移率之间存在显着差异,说明其复合率较低。因此,MgP3单层在光电、光伏和光催化材料或器件方面具有潜在应用。但是,其价带最大值（价带顶）不符合光催化水解析氢的要求,即使加大的应变也不能改善,因此不能用于驱动光催化水解析氢。用F钝化边缘的纳米带的带变位置也不能满足水解析氢条件。2.本章选用带隙较大的Sb单层构建卤素（F,Cl,Br,I）边缘钝化Sb纳米带（Sb NR＿X,X=F,Cl,Br,I）,并采用杂化密度泛函HSE06研究其光催化性能。在构建和优化各种构型的几何结构的基础上,计算了Sb纳米带的电子结构性质、光学性质和载流子迁移率,设计了析氢方案并计算了其太阳能转氢率和吉布斯自由能。结果表明armchair边缘Sb纳米带（aSbNR＿X）的能带结构都可以满足光催化水解析氢的条件,然而zigzag边缘Sb纳米带（z Sb NR＿X）只有在F钝化边缘的情况下其能带结构可以满足光催化水解析氢的条件。不过,在应变条件下,这些纳米带都可以满足。通过计算太阳能转氢率评估了各个析氢方案光催化水解析氢的性能。结果显示,在拉伸应变为12%条件下,aSbNR＿F/Cl/Br和z Sb NR＿F的太阳能转氢率达到了单一真空能级体系的理论极限值17.51%。同时,这些析氢反应的吉布斯自由能变化量均为0.65 e V左右,小于一些实验上已经实现的析氢反应,说明本章构建的卤素边缘钝化Sb纳米带光催化析氢反应也可以实验实现。因此,这些纳米带是有希望成为高效太阳光催化水分解析氢的候选材料。3.考虑到边缘相同原子钝化的纳米带的两侧真空能级相同,太阳能转氢率受限于单一真空能级的理论极限值17.51%限制。我们改进了纳米带边缘钝化方式,调控真空能级来突破这种限制,进一步提高太阳能转氢率。armchair边缘的Sb纳米带（aSbNR）的各向异性真空能级是通过调整边缘修饰原子实现的,在带隙显著降低同时获得了大的过电位。结果表明太阳能转氢率确实得到大幅提高。构建和优化了H和X（=F,Cl,Br,I）修饰的aSbNR几何结构,并通过从头算分子动力学证实了它们的热稳定性。基于四个方向的不同真空能级值,为每个H-aSbNRs＿X构建了16种可能的氧化和还原电位方案。通过计算纳米带的本征电场,并结合价带顶和导带最小值（导带底）的电荷密度分布来进一步确定可实现的方案。结果显示H-aSbNR＿F在无应变下的最大值可以达到32.11%,H-aSbNR＿Cl在4%的压缩应变下可以达到27.47%,明显高于上一研究内容中未加边缘设计调控真空能级情况的17.51%。H-aSbNRs＿X驱动析氢反应的吉布斯自由能的变化量为0.98-1.57 e V,虽然高于aSbNR＿F/Cl/Br和z Sb NR＿F的0.65 e V,但仍在已经实验实现的析氢反应的范围之内,因此实验上实现这些反应是可行的。这些结果表明,基于调控真空能级设计新的析氢反应方案是提高太阳能光催化水分解析氢的太阳能转氢率的有效方法。