武汉理工大学材料学院余家国

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密度泛函理论计算在光催化材料的研究中发挥着不可替代的作用。它能够抛开实验条件的限制，构建丰富的晶胞模型，对其几何结构、电子性质和光学性质进行精准的描述。从原子分子水平揭示光催化材料性能增强的本质原因，为设计和制备具有优异活性的光催化体系提供理论指导和依据。石墨相氮化碳（g-C3N4）是当前研究中最热门的光催化剂之一，围绕g-C3N4的密度泛函理论计算研究也越来越多。

       武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室余家国教授团队总结了均三嗪基g-C3N4的密度泛函理论计算研究进展。具体内容包括，探讨了元素掺杂对g-C3N4的形成能、几何结构和电子性质的影响，揭示了g-C3N4基复合物中各相的功函数、费米能级和带边电位对界面处内建电场的形成和光生载流子的转移途径的协同作用，分析了g-C3N4纳米团簇、纳米带和纳米管的能带结构和稳定性。特别以几个g-C3N4基二元复合物为例，阐述了传统II型和直接Z型异质结的理论推导过程。最后，作者对今后围绕g-C3N4基光催化体系展开的理论计算研究内容进行了展望。
       由于元素的种类有限，各种元素掺杂的g-C3N4体系的理论计算研究都已见于报道。而化合物的种类虽然非常丰富，但在理论研究中需要满足一定的晶胞匹配条件才能得到合理的复合物模型，所以对于很多实验上合成的g-C3N4基复合物体系很难开展十分相符的理论计算工作。同时，目前的研究内容仍然集中于体系的电子性质，只有少部分文献关注了材料表面的光催化反应过程。
       作者认为进一步的研究工作可以从以下几个方面展开。一是在g-C3N4结构中构造设计电子传输通道，例如将杂质原子锚定在特定的原子位置、嫁接有机分子，以及在g-C3N4层间嵌入金属单原子。二是揭示小分子在g-C3N4表面的吸附行为，考查不同的吸附基底如掺杂的g-C3N4、含缺陷的g-C3N4和g-C3N4纳米管等，探索小分子与g-C3N4间的相互作用、不同吸附分子间的共吸附和竞争吸附。三是计算g-C3N4表面的光催化反应过程，尤其是CO2还原反应。通过自由能的变化判断能垒和速率决定步骤，比较引入杂质元素对能垒和产物选择性的影响。


      【文章链接】
       Review on DFT calculation of s‐triazine‐based carbon nitride Bicheng Zhu,Bei Cheng,Liuyang Zhang,Jiaguo Yu
       DOI:10.1002/cey2.1
       https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/cey2.1