g-C3N4基晶体结构模型的构建和性质

第一性原理(frst-principle)计算在光催化材料研究中发挥着重要作用。它从物质的分子结构或品胞结构出发，借助种类繁多的计算程序和软件，获得材料的结构信息和物理化学性质。相比于实验研究而言，理论计算的优势在于它可以精确模拟原子的组成、比例和空间构型，计算结果具有很好的重复性。

      随着物理、化学和材料学科的快速发展电子设备计算能力的日益增强，以及光催化技术应用领域的不断拓展，利用第一性原理计算对光催化材料的结构组成、光催化性能和机理进行深入解读，已经成为光催化研究中的环节。根据计算方法的不同，广义的第一性原理计算可以粗略地分为两类，即密度泛函理论(densityfinctional theory，DFT)计算和基于 Hartree-Fock方法的“从头算”(abinito)，其中密度泛函理论计算在光催化研究中的应用尤为广泛。从统计数据上看，近年来已发表的光催化研究中包含密度泛函理论计算的文献数量逐年增多，2020 年已达到 850 余篇(图 9-1)。这些文献报道中的研究对象主要包括二氧化钛(TiO2,)氧化锌(ZnO)[和石墨相氮化碳(g-C3N4)等光催化剂。

      在实验研究中，二维片状光催化材料因比表面积大、厚度小，使得材料与反应物的接，323触非常充分、暴露的反应活性位点丰富、光生载流子从材料内部迁移到表面的距离较短而引起了研究者们的广泛关注。同样地，在理论计算工作中，具有层状结构的晶胞也备受青睐。

      在这些晶胞中，每一层的原子结构相同，且层与层之间没有化学键作用，研究这类晶胞的性质时，通常只需取出一层结构用于构建模型，由于模型所含原子数较少，因此研究工作的计算量也较小。g-C3N4就是一种晶胞结构为层状的二维光催化材料，本章围绕g-C3N4的第一性原理计算的研究进展，重点阐述 g-C3N4基晶体结构模型的构建和性质，以及它们与光催化活性之间的联系。