1．6 在光催化研究中引入理论计算与模拟方法
近年来，尽管光催化技术在实验研究和工业应用两个方面都取得了长足的进展，但是其发展的一些瓶颈问题并没有得到彻底解决，导致这项极具潜力的新兴技忙一直无法进行大规模的工业化应用。其中最为困难的是对光催化机理的详细了洋还十分缺乏，如光催化的决速步骤是载流子迁移还是表面的化学反应，如何系统也提高光催化材料的量子效率，载流子在半导体表面是离域还是定域在某个原子卜，光催化的微观机理，等等。
目前的实验由于以下原因还很难对光催化机理进行深入、彻底的分析：①原位分析表征仪器的缺乏，现有测试仪器还不能达到分子级、原子级或电子级的观测水平，所以在对光催化发展中的新现象、新材料等更多的仍然是以推测、假设为主；光催化反应是十分复杂的，而且影响光催化反应的因素很多，这些因素之间往往是相互交织的；③光催化评价标准不统一，由于环境因素和使用评价标准不一致，目前对于同一个光催化过程不同的研究组得到推测的光催化机理有所不同，有时甚至得出相反的推论；④实验研究的重复性和盲目性。
为了达到认识光催化内在机理的目的，需要发展新的手段和方法。得益于信息电子技术和计算机技术的飞速发展，起源于20世纪5。年代的计算物理、计算化学和计算材料等交叉学科的理论计算与模拟方法已越来越深入地应用于光催化研究中。事实上，理论计算与模拟方法在近二十多年来一直与实验研究同步进行：或对新的实验结果进行理论分析，或与实验研究密切结合，或提前于实验研究进行光催化材料的设计等，加深了人们对光催化作用机理的认识和理解，并为传统光催化材料的改性或新型光催化材料的开发提供理论支持与指导。
在材料科学研究的发展过程中，对实验的可行性以及新型材料性能进行狈测一直是科学家的梦想。随着计算机科学、信息技术、计算方法的飞速发展，以及相关基础理论知识的增长使这一梦想逐渐成为现实。计算机科学、计算物理和量子化学的飞速发展不断推动着理论计算与模拟方法的改进和进步。从本质上来说，理论计算与模拟是以理论研究的统一结论为依据，采用现代数值计算方法，在高性能计算机上完成对材料基本性质的计算和现象的模拟。理论计算与模拟方法具有以下两方面的突出优势：①通过基于电子或原子水平的计算机模拟可以获得一些目前的实验技术与条件无法“观测”到的微观结构和现象，这是目前很多的原位观测仪器无法达到的精度，因而可以从更深入层次解释实验现象的内在机理；②由于计算方法的确定性和对实验参数较少的依赖性，使理论计算与模拟对同一材料体系在多次重复之后仍然可以得到统一的结果，研究结果具有很好的重复性，并且不同研究者在进行理论计算与模拟时，只要采用相同的计算方法和参数设置，都可以得到几乎没有差别的结果。因此，理论计算与模拟方法对于材料科学研究与发展具有无可替代的作用。近年来，通过理论计算与模拟对材料的物理化学性质和电子结构进行深入分析已经取得了显著成果，特别是第一性原理同分子动力学相结合，在材料设计、合成、模拟计算和性能评价诸多方面都有了明显的进展，使材料的科学计算成为继材料的实验科学、理论科学之后，人们认识和征服自然的第三种科学方法。
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