摘要
自十八世纪工业革命之后，几百年的快速发展造成了严重的能源与环境问题。人们迫切需要发展新型能源技术，寻找可再生能源。首先在新型能源技术中，燃料电池、金属空气电池等能量存储和转化装置一直以来都是相关领域的研究热点。而阴极上发生的氧还原反应（ORR）和析氧反应（OER）是整个电池反应的关键步骤。通过使用合适的阴极材料催化ORR与OER可以大大提高电池性能。与此同时，氢能作为新型可再生能源具有能量密度高、储量丰富、产物无污染等优点，受到科研人员的广泛关注。但目前主流的制氢方法有诸多缺点，极大限制了氢能的应用。因此，光催化水分解制氢凭借原料丰富、产物无污染、成本低等优点受到广泛关注。MXene材料作为新型二维材料（2D）具有优秀的物理化学性质，在电、光催化领域应用广泛。因此，探究MXene基材料的电光催化性能、寻找新型MXene基电光催化材料，具有重要意义。 本论文利用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法，系统探究了过渡金属单原子吸附Sc2C基MXene的ORR与OER电催化性能和Y2C基MXene的光催化性能。首先，具体研究了Sc2C基MXene基底和吸附体系的稳定性、ORR和OER催化性能和催化反应中的关键步骤，筛选出一系列性能优秀的电催化剂。而后，系统探究了Y2C基MXene的几何结构、电子结构、光学性质和光催化性质，筛选出三种可能的光催化剂。本论文的具体研究内容和主要结论如下： 1.过渡金属单原子吸附二维Sc2CTO（T=F，H，OH）MXene体系电催化性能研究 在本工作中研究了9种过渡金属原子吸附MXene体系的ORR与OER电催化性能。计算了中间体结合能、各反应步骤的吉布斯自由能、各体系的ORR与OER过电位及电位差等物理量去评估体系的ORR与OER催化性能。通过ORR与OER火山图发现三种MXene体系的ORR过电位ηORR均与反应中间体*OH的吉布斯自由能变?G*OH有较强的相关性；过渡金属原子吸附Sc2CFO体系的OER过电位ηOER与反应中间体*O与*OH的吉布斯自由能变之差?G*O??G*OH有较强的相关性，而过渡金属原子吸附Sc2CHO和Sc2C(OH)O体系的OER过电位ηOER则与反应中间体*OOH与*O的吉布斯自由能变之差?G*OOH??G*O有较强的相关性。最后，我们筛选出一系列具有较好ORR或OER催化性能的催化剂，如Pd、Au原子吸附Sc2CFO体系，Pd、Rh原子吸附Sc2CHO体系和Pt、Au吸附Sc2C(OH)O体系是性能较好ORR催化剂，而Pd吸附Sc2CFO和Pt吸附Sc2C(OH)O体系则是性能较好的OER催化剂。此外，我们也找到了性能较好的双功能催化剂，如Pd吸附Sc2CFO体系，Rh、Pd吸附Sc2CHO体系以及Pt、Au吸附Sc2C(OH)O体系。 2.二维Y2C基MXene光催化性能研究 在本工作中系统地研究了表面功能化Y2CT2MXene和Y2CTT′JanusMXene（T，T′=H，F，Cl，OH）的几何结构、电子结构、光学性质和光催化能力。研究体系的构型均为Model-1且都是半导体，在高太阳光辐射能量通量波长范围内都具有较高的光吸收系数。虽然表面对称官能化的Y2CT2MXene往往只能催化析氢反应（HER）和析氧反应（OER）。但是，通过将它们的析氢表面和析氧表面相结合构建的Y2CTT′JanusMXene往往同时具有催化HER和OER的能力。计算结果表明，Y2CHCl、Y2CFCl和Y2C(OH)Cl都是良好的光催化水分解催化剂，STH效率均大于18%。最后，我们提出了一种设计与搜索光催化剂的简单策略，能够帮助设计与寻找更多光催化水分解催化剂。 本论文由四章内容组成：第一章为绪论部分，主要介绍电催化ORR与OER和光催化水分解的研究进展。第二章研究了过渡金属单原子吸附二维Sc2CTOMXene体系电催化ORR与OER性能。第三章研究了Y2CT2MXene和Y2CTT′JanusMXene（T，T′=H，F，Cl，OH）的结构、电子结构、光学性质和光催化能力。第四章对本文工作进行了简要总结并对MXene基电、光催化剂的发展前景进行了展望。
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