與水接觸后，二維光催化材料的能帶結(jié)構(gòu)尤其是其帶邊位置會發(fā)生改變，這對于光分解水和人工光合作用等領(lǐng)域的應(yīng)用研究至關(guān)重要。但由于固液界面體系的復雜性，現(xiàn)有的基于第一性原理計算的理論框架在研究固液界面的帶邊位置時，通常會忽略水的存在或者采用剛性移動帶邊位置的近似。而對于二維體系，界面處的電子結(jié)構(gòu)變化會直接影響整個體系的物理化學性質(zhì)，因此在研究二維光催化材料與水的界面時，基于密度泛函理論的有能力包含能帶結(jié)構(gòu)重整和固液界面處的化學效應(yīng)的計算框架亟待提出。

來自河南科技大學物理工程學院的康大偉教授，深圳大學物理與光電工程學院的孔祥華教授，加拿大麥吉爾大學物理系的Vincent Michaud-Rioux博士、陳映志博士，美國密歇根大學電子工程系的米澤田教授和加拿大麥吉爾大學物理系的郭鴻教授通力合作，提出了一套系統(tǒng)的基于密度泛函理論的計算框架，來直接定量預測水中光催化材料的帶邊移動和微觀起源。該類研究會涉及上千甚至上萬原子體系的密度泛函理論計算，對于傳統(tǒng)KS-DFT程序是一個挑戰(zhàn)。

郭鴻教授課題組自主開發(fā)的實空間密度泛函理論軟件RESCU可以在不損失計算精度的情況下，大大提高第一性原理計算的效率，實現(xiàn)了在中小型計算平臺上計算數(shù)千至數(shù)萬元子體系的能力。本工作利用RESCU，定量預測了四種微觀起源導致的帶邊位置變化，包括幾何結(jié)構(gòu)形變，水的偶極矩排列，界面處的電荷轉(zhuǎn)移和二維材料與水的化學相互作用。計算結(jié)果發(fā)現(xiàn)二維光催化材料的價帶頂和導帶底并不是剛性移動的，二者移動的不同來源于二維材料的幾何結(jié)構(gòu)形變和其與水的化學接觸。另外該研究結(jié)果在含有垂直界面軌道的材料中具有普適性，并在GaS, InSe, GaSe 和 InS等體系得到證實，發(fā)現(xiàn)這類二維材料和水的接觸也具有化學相互作用導致的額外帶邊位置平移。

最后，本研究還發(fā)現(xiàn)水中MoS2的導帶底上移，從熱力學角度分析有利于載流子參與氫還原反應(yīng)（HER），這也解釋了實驗報道的MoS2是高效氫還原材料的結(jié)果。本研究為理論預測水中二維材料的電子結(jié)構(gòu)和進一步設(shè)計廉價高效的二維光催化材料做出了非常有益的貢獻。

責任編輯：lq6