石墨相碳化氮(g-C3N4)化学掺杂是提升其催化活性的重要手段之一,本文利用密度泛函理论(DFT)系统地研究了非金属元素和金属元素掺杂对二维半导体材料g-C3N4的电子结构和光电催化活性的影响。主要内容包括:1.系统地研究了非金属元素掺杂对g-C3N4的电子结构,光吸收和载流子传输特性的影响,计算结果表明载流子的迁移率和半导体光吸收能力是影响掺杂结构光催化活性的主导因素。提出的光催化效率指数是影响产物速率的固有参数,第一次阐述了一种普遍性的非金属元素掺杂g-C3N4的设计原则,对传统金属氧化物半导体同样使用,如Ti02,ZnO等。得到的预测结果与实验测量值一致。这种设计原则还可以推广到其他的光还原反应,如二氧化碳还原。2.通过对金属阳离子掺杂结构的物理性质研究表明:金属掺杂模型的吸光能力,载流子传输特性和金属元素对电子的束缚能力决定了其光催化产氢活性,并且可以准确预测掺杂模型的产氢速率,提出了一种只与金属元素和基体结构相关的描述符。3.找到了一种全新的描述符来表征p区元素掺杂g-C3N4作为电催化产氢的催化剂的催化活性,它与异质原子对电子吸引能力和成键环境相关;进一步揭示影响活性位点对氢原子吸附强度的本质因素,吸附态氢原子的态密度在导带底处最高峰的位置决定了活性位点与氢原子形成化学键的强度。我们首次通过计算半导体的物理性质,提出了对半导体光催化剂起指导作用的描述符,并且与实验对比得到了很好的结果;我们通过研究非金属元素掺杂g-C3N4,得到了新的对电催化产氢活性有指导作用的描述符,与实验结果一致。