环境污染引起的生态失衡和能源短缺影响着全社会的可持续发展。将绿色的太阳能转换为化学能的光催化技术是克服上述问题的重要手段之一。目前,这项技术主要应用于光催化水解制氢和降解有机污染物。其原理是:太阳光照射到半导体上时,电子从价带激发到导带从而产生光生电子-空穴对,形成的光生载流子逐渐向材料表面迁移,迁移到表面的光生电子和空穴在一定条件下参与水的分解或有机物的降解。一个优秀的光催化剂应该具有合适的带隙、合适的带边位置、低的电子空穴复合率和较多的活性位点等特性。二维半导体因其高的比表面积和短的电子迁移距离等而成为高效光催化剂的潜在候选者,许多单组分的二维半导体除光腐蚀外,快速复合的光生电子-空穴对也影响其催化效率。因此,寻找和设计高效光催化剂的任务十分紧迫。构建异质结光催化体系被认为是提高光催化性能的有效策略。实验上用化学气相沉积法和激光烧蚀技术先后成功合成类石墨烯结构的Ge C薄膜。己有研究表明,二维Ge C是一种直接带隙半导体且表现出良好的光电性能;由于其低的面内刚度和大的泊松比,在光伏器件领域也极具潜力。实验研究发现二维Hf S2具有高的光敏性和快的光响应时间等特性。同时,相关的理论研究也表明二维Hf S2具有光催化活性,但Ge C和Hf S2在光催化过程中都存在光生电子-空穴对快速复合的问题,这限制了它们的催化效率。本文基于杂化密度泛函理论的第一性原理计算,设计了Ge C和Hf S2组成的Ge C/Hf S2异质结,并系统地研究了该异质结是否具有光催化水解析氢的能力。主要的研究内容和结论如下:（1）计算研究了二维Ge C和Hf S2单层的几何结构和能带结构。计算结果表明,Ge C的空间群是P6m2,晶格常数是3.24（?）,是带隙为2.80 e V的直接带隙半导体;而Hf S2的空间群是P3m1,晶格常数是3.64（?）,是带隙为1.98 e V的间接带隙半导体,这些结果均与其它研究结果一致。（2）考虑了将Ge C单层以三种不同的形式垂直堆叠在Hf S2单层上,从而形成了三种堆叠方式的异质结结构,分别是:C正对Hf位的Ge C/Hf S2（i）、C正对S位的Ge C/Hf S2（ii）、C正对Hf-S桥位的Ge C/Hf S2（iii）。计算的界面结合能和层间距表明,这三种结构均为范德瓦尔斯异质结,其中Ge C/Hf S2（ii）的结合能最低,是最稳定的构型,且层间距最短。（3）着重分析了Ge C/Hf S2（ii）异质结的电子性质。Ge C单层的功函数比Hf S2单层的功函数小,形成的Ge C/Hf S2（ii）异质结具有交错的II型能带排列。Ge C/Hf S2（ii）的价带顶（VBM）和导带底（CBM）分别由Ge C和Hf S2贡献,带隙是0.59 e V;异质结中的Ge C、Hf S2带隙分别是2.98、2.26 e V,且Ge C、Hf S2的带边缘分别只横跨在标准的水还原势能级和水氧化势能级上。Bader电荷和差分电荷密度分析表明,Ge C层失去了电子,Hf S2单层得到了电子,从而形成了一个从Ge C层指向Hf S2层的内建电场。（4）阐明了Ge C/Hf S2（ii）异质结的催化机理。因为层间带隙（0.59 e V）远小于层内带隙（Ge C:2.98 e V,Hf S2:2.26 e V）,所以跨界面的层间载流子复合阻碍了层内载流子复合。内建电场不仅促进了层间载流子的复合,还抑制了光生电子（空穴）在Ge C和Hf S2的CBMs（VBMs）间的转移。最终积累在Ge C（Hf S2）导带底（价带顶）的光生电子（空穴）参与还原反应（氧化反应）。因此,Ge C/Hf S2（ii）异质结是一个直接Z方案催化剂。（5）探究了Ge C/Hf S2（ii）异质结分解水的氧化还原反应过程,其析氢反应（HER）的过电位（0.17 V）较低,但析氧反应（OER）较高的过电位（1.97 V）限制了氧化反应的自发发生。为了确保氧化反应能自发进行,可以进一步考虑利用缺陷、吸附物对Hf S2进行功能化,或将其替换为合适的强氧化性材料。