《水的激發態性質與動力學的多體格林函式理論研究》是依託山東大學，由馬玉臣擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：水的激發態性質與動力學的多體格林函式理論研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：馬玉臣
- 依託單位：山東大學
中文摘要,結題摘要,
中文摘要
在紫外線輻照下，不同結構的水（包括水分子團簇、液態水、冰）中水分子的光解是自然界重要的光化學過程，其中還有很多懸而未決的問題。本申請擬利用我們開發的多體格林函式理論激發態動力學模擬程式研究不同結構的水在激發態的性質和動力學過程，以增進對水光解機制的理解。這方面的研究包含兩部分，（1）不同尺寸和構型的水分子團簇中水分子在不同波長紫外線輻照下的光解過程；（2）液態水和凍的光吸收譜與激子性質，液態水和冰中的缺陷與表面對激發態的影響，以揭示液態水和凍的光吸收譜中Urbach tail的來源及其對光解的貢獻。在計算激發態作用力時，我們目前的程式採用了有限差分法。為了進一步提高計算精度和效率，在該項目中，我們也將發展一種在多體格林函式理論框架內解析計算激發態作用力的新方法，該方法將採用在coupled perturbed Hartree-Fock理論基礎上發展起來的Z-vector方法。
結題摘要
本項目的主要工作是利用多體格林函式理論（包括GW方法和Bethe-Salpeter方程），通過對凝聚相水和水團簇激發態性質與激發態動力學的研究，探討水光解的機理，為發展高效的光解水催化劑提供有價值的理論信息。該項目也擬在多體格林函式理論框架內發展新的激發態作用力計算方法和計算程式，用以發展新的激發態動力學理論研究工具。 該項目主要從以下幾方面開展了研究： （1）將基於coupled perturbed Hartree-Fock理論的Z-vector方法與多體格林函式理論相結合，推導出了在多體格林函式理論框架內解析計算激發態作用力的新方法，並開發了計算程式。 （2）通過對固相凍的研究，發現凝聚相水的Urbach光吸收尾巴來源於氫氧根離子和水自電離過程中的瞬態結構，凝聚相水在吸收峰附近紫外光照射下的光解是一個無勢壘過程，涉及質子與電子的協同傳輸。 （3）在對水團簇的研究中，發現光吸收峰能量與每個水分子的平均氫鍵數目密切相關；發現高能量的離域化激子與低能量的高度局域化激子共存，而後者則是發生光解的可能位置。 （4）對TiO2和二維C3N4這兩種重要的光解水催化劑與水溶液界面處的電子結構和激子性質開展了系統研究，發現界面電場對水溶液中基團的能級和捕獲光生空穴的能力具有重要影響。發現了水在這兩種催化劑表面光解過程中幾個重要中間態、激發態之間以及激發態與基態之間的非絕熱躍遷現象、以及影響水光解效率的重要因素。 （5）發展自洽的GW計算方法和程式對TiO2中缺陷和雜質的電子結構開展了系統研究，圓滿解釋了實驗現象，發現了陰離子雜質在TiO2中新的成鍵規則，並發現了目前廣泛使用的DFT+U和雜化泛函方法在研究這類體系中的重要不足。 （6）在該項目的資助下，還在多體格林函式理論框架內發展了計算激子能量傳遞速率的新理論方法和計算程式，並藉此研究了光合作用體系中類胡蘿蔔素與葉綠素之間、碳納米管周期性體系之間的能量傳遞機制。 在該項目的資助下，發表SCI論文20餘篇，獲得2017年度山東省自然科學一等獎。
