二维类石墨烯纳米材料的性质调控及应用的理论研究

发布时间：2020-07-01 21:21

【摘要】：石墨烯由于其优异的物理化学性质成为目前纳米材料领域的研究热点,被人们广泛应用于电子器件、催化、能源等各个领域,但它零带隙的电子性质限制了其应用前景。氧化石墨烯的结构与石墨烯类似,不过表面分布着不同的含氧基团,含氧浓度也不尽相同。这些修饰的含氧基团改变了石墨烯的电子结构,使具有半金属性质的石墨烯转变为半导体性质,而不同含氧浓度对石墨烯的电子性质也会带来不同程度的影响。除了石墨烯和氧化石墨烯材料以外,近些年发现的二维类石墨烯纳米材料还包括硅烯、过渡金属硫族化合物等。这些二维材料各自具有独特的电子性质,引起了人们的关注。从理论角度先行挖掘这些材料的性质和潜在应用,可以为后期实验提供可行的方向以及有力的参考依据。本文以密度泛函理论为基础,围绕部分常见的类石墨烯材料展开了一系列的研究。我们用理论计算的方法成功对氧化石墨烯和二硫化钨形成的异质结材料的电子性质进行了调控,理论预测了在石墨烯表面生长均匀氮掺杂二维碳材料的可能性,并预言了二维过渡金属硫族化合物在电池领域中的应用,主要内容如下:一、通过理论设计成功对氧化石墨烯和二硫化钨形成的异质结材料的电子性质进行了有效调控。我们利用第一性原理的计算,研究了二硫化钨和氧化石墨烯异质结的结构稳定性和电子性质。在我们的研究过程中一共考虑了三种类型的氧化石墨烯结构,包括表面只有桥氧基的、只有羟基的和同时具有桥氧基和羟基的情况。计算的结果显示,当氧化石墨烯表面含氧量升高,异质结的层间结合能从0.117 e V/WS2增加到了0.214 e V/WS2。通过改变氧官能团的种类和浓度,二硫化钨/氧化石墨烯异质结的带隙可以被有效地调控,调控范围在0.13 e V至1.91 e V之间。同时我们还观察到了能带结构中导带底和价带顶电子和空穴的分离,它们会分布在异质结的不同层上。另外,二硫化钨的功函同样可以通过氧化石墨烯进行调节(从4.09 e V到6.34 e V),这将有可能增大载流子浓度从而扩大二硫化钨以及其他过渡金属硫族化合物材料在光电器件方面的应用范围。二、以石墨烯和类石墨烯材料为催化基底,通过C-H键活化的分子自组装方法,从理论角度设计合成了均匀吡啶氮掺杂多孔石墨烯。该材料因为孔洞和氮原子分布均匀,且所有的氮都是吡啶氮,在催化领域有着重要的应用。我们采用2,4,6-Tris(4-hydroxyphenyl)-1,3,5-triazine(THT)分子作为前驱体进行聚合反应,合成过程分为三步,分别是羟基的脱氢和羟基邻位两个氢的活化。我们比较了包括石墨烯在内的四种基底催化剂。常见的贵金属Au(111)表面有助于降低反应的能垒,使之最高不超过1.85 e V,其中邻位的脱氢更喜欢选择直接路径。而石墨烯作为基底催化材料可以将反应能垒大幅度降至0.35 e V,明显优于Au(111)表面。硅烯、二碳化硅等类石墨烯纳米材料同样具有良好的催化作用,不同的是邻位的脱氢会沿间接路径进行。电荷分析的结果表明,石墨烯作为制备过程基底时,石墨烯可以为前驱体小分子提供聚合反应所需的电子,促进反应的进行。此外,聚合生成的均匀吡啶氮掺杂多孔石墨烯是宽带隙半导体,受到石墨烯或者硅烯基底的影响,其组成的复合物转变为金属性,增强其导电性,有利于这种新颖的氮掺杂多孔石墨烯在电催化方面的应用。三、理论设计二维过渡金属硫族化合物作为钾离子电池的负极材料。我们选择了十种已经在实验上合成的过渡金属硫族化合物,并优先考虑了它们的稳定相结构来研究其作为钾离子电池负极材料的可能性。钾离子在这些过渡金属硫族化合物表面上的吸附能比在双层间的吸附更稳定,且吸附能大小受位点影响较小。钾离子在材料表面的迁移能垒比在层间的迁移能垒也更低,平均只有0.04 e V,而在层间的迁移能垒在0.13 e V到0.44 e V之间。在钾离子嵌入后,材料的结构会发生相变,相变后钾离子在VS2和WS2材料中的吸附能和迁移能垒有更好的表现。我们的计算结果表明,VS2、Ti S2、Ti Se2、Ta S2、Ta Se2作为钾离子电池的电极材料都具有一定的应用潜力,其中VS2是目前效率最好的负极材料,因为它具有合适的开路电压(1.06 V)和足够大的理论电容(466 m A h g-1)。我们还比较了VS2应用于其他碱金属离子电池的情况,发现以VS2为负极的钾离子电池性能与其作为锂离子电池负极材料的性能是可比拟的。
【学位授予单位】：苏州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ127.11;TB383.1
【图文】：

锥点,石墨,狄拉克,能带结构

随着科技的进步，自石墨烯以后，一些其他的二维材料（如：硅过渡金属硫族化合物、氮化硼等）也逐渐被合成出来，它们与石墨烯但性质各异，可以在不同的领域绽放光彩4-7。1.1 石墨烯材料1.1.1 石墨烯石墨烯是一种由碳原子 sp2杂化构成的蜂窝状新型二维纳米材料，它也周知的碳材料（三维的石墨、一维的碳纳米管和零维的富勒烯）的基。从能带结构上看（如图 1.1），石墨烯是一个零带隙的半导体，它在 G 点上拥有一个特殊的狄拉克锥，使电子在材料内部快速迁移（载流达 2×105cm2V-1s-1）8。除此之外，石墨烯还具有很多优异的性质，它比表面积大（约 2630 m2/g），导热性能好（可达 5000 W/mK)，还具有等9-11。

示意图,氧化石墨,超级电容器,二氧化锰

石墨烯纳米材料的性质调控及应用的理论研究 p2杂化转为 sp3杂化，石墨烯的能带结构也会因为含氧基团的浓度、比例不同发生相应变化，带隙最大可以打开至 4.0 eV，有助于进一步扩大石墨设备中的应用25。氧化石墨烯可以通过强氧化剂（如：高锰酸钾、浓硫酸等）氧化得到。目研究较多的是氧化石墨烯与其他材料的复合物。例如，氧化石墨烯和以的金属有机框架复合材料在三个重要的电催化反应（析氢反应、析氧反原反应）中均有良好的表现。两种材料相互促进，提高了电荷传输性能度达到铂的 76%，能够降低不少成本26。由二氧化锰和氧化石墨烯的多构复合材料（见图 1.2）作为正极构建的超级电容器具有不错的性能，在电压范围内，最高能量密度 46.7 W h kg-1，循环寿命还很长27。

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