含硼二维光电功能材料的计算研究与设计
发布时间：2021-08-24 13:54
随着超级计算机计算能力的持续提升和第一性原理计算方法的不断完善,计算化学已逐渐成为研究和探索材料科学的主要方法之一。相比于传统实验研究方法,量化计算方法有以下优势:（1）实验较难精细测量原子尺度的现象、变化规律和微观机理,计算方法可以从原子尺度模拟分析材料的本征特性和物理化学变化过程;（2）随着计算能力不断提升,计算方法相比于实验方法,可以实现更加快速、低成本、大范围的材料筛选和设计;（3）计算研究方法可以特定物理化学特性为目标,针对性的开展元素设计和结构调控,能够实现有的放矢的材料设计。本论文通过对二维材料石墨烯进行有规律的硼和氮掺杂设计得到两种较为稳定的BC2N单层材料,两者虽然都是由B-C-N六边环构成,但是不同的原子排列和成键特性使得其光电特性变得不同。另外,通过考虑氧和水的AIMD计算,两种BC2N二维材料在高温大气环境中都具有较好的热稳定性。二维BC2N材料具有合适的带隙,可用于可见光驱动的光催化应用,并具有显著的光激活电子还原能力,可能用于还原重金属离子或光降解其他污染物。此外,光诱导电子和空穴在BC
【文章来源】：安徽大学安徽省 211工程院校
【文章页数】：80 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
一些常见二维材料分子结构框架
牧显诨肪秤肽茉戳煊虻挠τ们熬?随着人类文明的发展和社会的进步，人类的活动范围和工业化进程几乎遍布全球的各个角落，随之带来的影响就是地球数亿年来堆积的化石能源的急剧消耗和环境污染。不适当的开采使得地球的化石能源的急剧消耗产生大量的二氧化碳从而造成温室效应，这让人类赖以生存的家园受到一些迫在眉睫的问题。为解决这些问题，人们越来越关注使污染和与化石燃料供应减少的能源供给并去寻找清洁和可再生能源[6]。清洁和可再生能源的发展核心是对先进技术的需求能量转换系统，例如光解水，水电解，燃料电池等。图1.2(a)光催化裂解水产生洁净的能源氢气(b)电解水产生氢气和氧气(c)利用洁净的氢氧为能源的燃料电池工作原理利用太阳能分解水形成氢和氧被视为一种潜在的清洁、大规模生产燃料的方法。近年来光催化分解水技术有长足的发展，特别是与之相关的物理和材料化学的发展。光催化分解水可以生成氢气和氧气，这种方法作为一种可再生能源生产的手段有两种优势，一是不依赖化石燃料，二是不产生二氧化碳排放。二十一世纪初期，一些材料就被报道为可见光驱动的光催化剂，在可见光下分解水产生氢和氧，有些已经成功地实现水的全面分解。科技工作者们对于光解水技术的研究为储存和利用太阳能、实现太阳能光电转化、太阳光催化制氢等提供技术支撑[7]。同样在各种可能性中，电化学能量转换技术被认为是解决对能源的需求不断增长以及对化石燃料替代品的紧迫需求的方案之一。它对环境友好，并且具有高功率密度和高稳定性。此外，某些电化学能转换技术（例如燃料电池）也可以提供高能量密度，使其成为产生可持续和绿色能源的先进技术[8,9]。这些电化学技术涉及各种电化学反应，所有这些电化学反应都需要存在有效的电催化剂，因此设计和制备性
第一章绪论4野,并引起越来越多的关注。它涵盖石墨烯、拓扑绝缘体、过渡族金属硫化物、黑磷、锑烯、铋烯等几十种不同的层状材料。纳米尺度的材料所具有的表面效应、小尺度效应以及量子效应等引发许多神奇的效应,赋予二维材料具有宏观尺度材料所不具备的一系列优异的光电性能。它们具有可调控的光电属性、超宽的工作带宽、较高的电子迁移率、较低的光散射损耗、较高的热导系数以及半导体工艺可兼容性等诸多优点,在光化学和电化学领域有广阔的应用前景。如可将这些二维材料投入到实际应用中，那么能源危机和环境污染问题将会不攻自破。1.3超宽带隙二维材料的研究与现状图1.3部分二位宽带隙材料结构(a)GeI2(b)GaPS4(c)GaS(d)PC6N[10-13]对于宽带隙材料就目前的学术要求难以对其带隙宽度范围予以定义，通常是指相对应于目前主流的光电材料以及当前的光电性能应用发展前景来定义宽带隙材料的带隙界限。最初研究者们把带隙宽度大于2.2eV的半导体材料称为宽带隙半导体，近年来有又将带隙宽度超过2.5eV的半导体材料称为宽带隙半导体。超薄二维材料的光电特性决定它们的实际应用。以电子带隙为例，无隙石墨烯和金属MXene均具有超高的电迁移率，可作为高性能超级电容器电极[14,15]，而窄带隙（48～101meV）的二维HgTe/CdTe超晶格是应用于远红外光电器件的稳定替代品[16]。具有中等带隙（1.35-1.82eV）的几层MoS2纳米片是检测绿光和红光的很有前途的光电晶体管[17]，2.70eV左右的带隙使石墨碳氮化物具有可见光吸收和适当的氧化还原电位[18]。此外，宽禁带半导体薄膜和一维纳米结构（EG＞3eV），包括SiC、金刚石和金属氧化物，
【参考文献】：
期刊论文
[1]Recent advances in MXene: Preparation, properties,and applications[J]. 雷进程,张旭,周震. Frontiers of Physics. 2015(03)
本文编号：3360112
【文章来源】：安徽大学安徽省 211工程院校
【文章页数】：80 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
一些常见二维材料分子结构框架
牧显诨肪秤肽茉戳煊虻挠τ们熬?随着人类文明的发展和社会的进步，人类的活动范围和工业化进程几乎遍布全球的各个角落，随之带来的影响就是地球数亿年来堆积的化石能源的急剧消耗和环境污染。不适当的开采使得地球的化石能源的急剧消耗产生大量的二氧化碳从而造成温室效应，这让人类赖以生存的家园受到一些迫在眉睫的问题。为解决这些问题，人们越来越关注使污染和与化石燃料供应减少的能源供给并去寻找清洁和可再生能源[6]。清洁和可再生能源的发展核心是对先进技术的需求能量转换系统，例如光解水，水电解，燃料电池等。图1.2(a)光催化裂解水产生洁净的能源氢气(b)电解水产生氢气和氧气(c)利用洁净的氢氧为能源的燃料电池工作原理利用太阳能分解水形成氢和氧被视为一种潜在的清洁、大规模生产燃料的方法。近年来光催化分解水技术有长足的发展，特别是与之相关的物理和材料化学的发展。光催化分解水可以生成氢气和氧气，这种方法作为一种可再生能源生产的手段有两种优势，一是不依赖化石燃料，二是不产生二氧化碳排放。二十一世纪初期，一些材料就被报道为可见光驱动的光催化剂，在可见光下分解水产生氢和氧，有些已经成功地实现水的全面分解。科技工作者们对于光解水技术的研究为储存和利用太阳能、实现太阳能光电转化、太阳光催化制氢等提供技术支撑[7]。同样在各种可能性中，电化学能量转换技术被认为是解决对能源的需求不断增长以及对化石燃料替代品的紧迫需求的方案之一。它对环境友好，并且具有高功率密度和高稳定性。此外，某些电化学能转换技术（例如燃料电池）也可以提供高能量密度，使其成为产生可持续和绿色能源的先进技术[8,9]。这些电化学技术涉及各种电化学反应，所有这些电化学反应都需要存在有效的电催化剂，因此设计和制备性
第一章绪论4野,并引起越来越多的关注。它涵盖石墨烯、拓扑绝缘体、过渡族金属硫化物、黑磷、锑烯、铋烯等几十种不同的层状材料。纳米尺度的材料所具有的表面效应、小尺度效应以及量子效应等引发许多神奇的效应,赋予二维材料具有宏观尺度材料所不具备的一系列优异的光电性能。它们具有可调控的光电属性、超宽的工作带宽、较高的电子迁移率、较低的光散射损耗、较高的热导系数以及半导体工艺可兼容性等诸多优点,在光化学和电化学领域有广阔的应用前景。如可将这些二维材料投入到实际应用中，那么能源危机和环境污染问题将会不攻自破。1.3超宽带隙二维材料的研究与现状图1.3部分二位宽带隙材料结构(a)GeI2(b)GaPS4(c)GaS(d)PC6N[10-13]对于宽带隙材料就目前的学术要求难以对其带隙宽度范围予以定义，通常是指相对应于目前主流的光电材料以及当前的光电性能应用发展前景来定义宽带隙材料的带隙界限。最初研究者们把带隙宽度大于2.2eV的半导体材料称为宽带隙半导体，近年来有又将带隙宽度超过2.5eV的半导体材料称为宽带隙半导体。超薄二维材料的光电特性决定它们的实际应用。以电子带隙为例，无隙石墨烯和金属MXene均具有超高的电迁移率，可作为高性能超级电容器电极[14,15]，而窄带隙（48～101meV）的二维HgTe/CdTe超晶格是应用于远红外光电器件的稳定替代品[16]。具有中等带隙（1.35-1.82eV）的几层MoS2纳米片是检测绿光和红光的很有前途的光电晶体管[17]，2.70eV左右的带隙使石墨碳氮化物具有可见光吸收和适当的氧化还原电位[18]。此外，宽禁带半导体薄膜和一维纳米结构（EG＞3eV），包括SiC、金刚石和金属氧化物，
【参考文献】：
期刊论文
[1]Recent advances in MXene: Preparation, properties,and applications[J]. 雷进程,张旭,周震. Frontiers of Physics. 2015(03)
本文编号：3360112
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