能源短缺以及环境污染问题已经是当今人类社会面临的主要危机,寻找低成本、高效率以及高稳定性的催化剂是解决能源短缺和环境污染问题的主要方案。其中,二维材料因其独特的物理化学性质受到人们广泛的关注,研究并探讨其在催化领域的应用价值是目前科研人员的主要工作之一。相对于实验的试错研究手段,理论的预测可以指导实验工作者避免错误的方向,减少资源的浪费。本论文通过第一性原理的计算方法,研究了新型二维材料β₁₂相的硼单层、g-C₂N、GaTe和g-C₆N₆的物理化学性质,深入分析它们在光电催化领域的应用潜力。相关的研究内容如下:1.以β₁₂相的硼单层为基底材料,通过填隙掺杂单个过渡金属原子于硼单层的六角孔上,探讨其在电催化氮气还原的性能。研究结果表明,过渡金属原子的掺杂能提高硼单层对氮气的吸附能力,且氮气与催化剂的结合机制为“接收-反馈”机制,吸附模式分为直立和平躺两种。其中,当氮气平躺吸附于V掺杂硼单层材料上,材料表现出最优异的电催化性能,开启过电势仅为0.28 V,这是因为氮气平躺吸附于V原子可以得到更多的电子,且氮气的成键π轨道会发生最大的劈裂;另外,单个V原子在硼单层最近邻六角孔中的跃迁势垒达到2.50 eV,而且在高达800K的温度下材料的几何结构基本保持不变,显示出极高的稳定性。因此,单个V原子掺杂的硼单层可以作为电催化氮气还原的优异催化剂。2.与前一个工作类似,以单个B原子填隙掺杂于g-C₂N二维材料上,研究其光催化氮气还原的性能。B原子的掺杂可以使得g-C₂N材料的带隙中引入杂质能级并赋予1?_B的磁矩,大大提高g-C₂N的光吸收性能。B/g-C₂N的BN₂部分在光催化氮气还原当中起着关键性的作用,其作为氮气还原反应的氮气捕获活化中心以及电子输运中心存在,氮气还原的热力学反应自由能变和动力学反应的自由能势垒分别为0.07 eV和0.50 eV。3.通过GaTe与g-C₆N₆搭建异质结,研究其在光催化水分解领域的应用前景。研究表明GaTe/g-C₆N₆的异质结类型为类型II的结构,该结构能有效地进行光生载流子的分离,提高载流子寿命,构建的异质结的价带顶与导带底的位置跨越水氧化和还原的势能位置,而且带隙能进一步减低,能延长可见光范围的光吸收,初步证明其具有光催化水分解的能力。