近年来，人类面临着日益严重的能源与环境危机。氢能，作为一种清洁、高效、安全、可贮存、可运输的二次能源，普遍被人们认为是一种最理想的新世纪无污染的绿色能源。然而目前氢能的生产还主要依靠煤、天然气获取, 获取过程会加剧环境污染等问题。以水作为原料, 利用太阳能这种可再生能源来进行光解水制氢是从根本上解决能源和环境问题的理想途径之一。如何高效地进行光解水是近几十年的研究热点，光解水领域的研究进展也一直备受人们关注。

在光解水领域, 有两种类型的异质结光催化剂：type-II和Z-scheme异质结。普遍认为，直接Z-scheme异质结比Type Ⅱ异质结催化效率更高，但二者能带排列相似，仅利用基态计算难以区分，这使得直接Z-scheme光催化剂的理论设计和表征仍存在挑战。二维磷烯具有高载流子迁移率、强光吸收和优于体相黑磷的催化活性，是一种潜在的光催化材料，但其能带位置不能够实现为水分解的半反应（析氢反应HER和析氧反应OER）提供过电势的要求。利用不同基团对磷烯纳米带（PNR）进行边界修饰可以精确调控能级的带边位置，而带宽的变化可以调节带隙大小，从而能够获得理想的光催化水分解异质结催化剂的组件。高博士的研究有如下亮点：

（1）利用不同基团进行边界修饰引入偶极精确调控纳米带能级的带边位置；

（2）在KSSOLV软件中实现的线性响应含时密度泛函理论（LR-TDDFT）计算显示了光生电荷分布，并证明了异质结中层间激子的产生；

（3）利用Hefei-NAMD代码完成的非绝热分子动力学（NAMD）模拟表明OH/OCN-PNR异质结的层间电子-空穴复合倾向高于层内复合，表现出Z-scheme异质结的特征。

图1 光激发下（a）Z-scheme和（b）Type Ⅱ异质结的能带排列示意图，载流子迁移方向、载流子分布和反应位置均有差异。虚线圆表示激子（光生电子-空穴对）。X-PNR的（c）价带顶（VBM）与导带底（CBM）的能级位置和（d）带隙，基团X从左到右依次为OH、H、Br、Cl、F、CN和OCN。

图2 （a）OH/OCN-PNR和（b）OH/F-PNR异质结最低激发态的电荷密度分布。黄色和蓝色分别表示电子和空穴。（c）OH/OCN-PNR、OH/F-PNR异质结和OH-PNR、F-PNR、OCN-PNR单层的激发态DOS。