碳—氮基二维非金属材料的第一性原理研究

发布时间：2017-06-16 21:05

  本文关键词：碳—氮基二维非金属材料的第一性原理研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：近几年来,由于二维材料在电子、光电子等领域具有新奇的物理性质,引起了众多物理、化学和材料科学家的广泛关注。二维非金属材料拥有无毒、易获得、对环境友好等优点,将二维非金属材料进行改性,也是获得特定功能新型非金属材料的重要手段。对于实验者来说,这是一个复杂、需要不断尝试的艰巨任务。随着计算机技术的快速发展,基于密度泛函理论(density fuctional theory)的第一性原计算的方法也取得了突破性的进展,成为材料科学中理论模拟的重要手段。利用第一性原理计算可以预测材料性质,指导实验的进行,大大缩短了实验探究的周期。本论文从第一性原理出发,以最新的非金属二维材料为立足点,研究其在光催化以及电催化领域的应用。本论文一共四章,第一章简要介绍了密度泛函理论的起源和发展。首先从Bohn-Oppenheimer和Hartree-Fock近似出发,介绍了一些较基础的量子力学的知识。接下来从Thomas-Fermi模型、Hohenberg-Kohn定理和Kohn-Sham方程等入手,介绍密度泛函理论的发展与完善过程。紧接着介绍了介绍了交换相关泛函的种类和计算中经常会被用到的有效芯势方法。最后介绍了计算中用到的DFT相关的软件包。第二章中,首先从石墨烯的电子结构和应用出发,介绍几年来研究比较热的二维材料,包括过渡金属硫属化物、二维硼氮、黑磷等。接下来介绍了环境友好型的碳-氮基二维材料的研究进展,主要介绍其在光解水方面的应用。最后介绍碳-氮基二维材料在电催化领域的应用,着重讲述其在燃料电池方面的研究进展。第三章中,我们主要研究g-C3N4/C2N纳米复合体系的电子结构与光学性质。理论研究表明,g-C3N4/C2N纳米复合材料具有Type Ⅱ的能带结构,能使体系的光生电子和空穴获得有效分离；此外,g-C3N4/C2N纳米复合结构与g-C3N4单层相比,可见光响应范围有明显拓宽,光响应强度大大增强。显然,这些理论研究为g-C3N4光催化性质改善提出了新路径,也为发展新型的非金属光催化剂提出了可能性。第四章中,先简略介绍含过渡金属的碳氮基催化剂,在实验上表现出优异的ORR催化活性。然后我们提出了自己的模型：C2N嵌入过渡金属原Fe,Co,和Ni,可写作Me@C2N,我们使用第一性原理探究了Me@C2N催化氧气还原反应(ORR)的热力学过程。这一过程的研究显示了C2N嵌入过渡金属原子后,结构稳定,并对O2的吸附有了很大的改善,其ORR反应的每一步都是放热过程。这些理论研究表明Me@C2N在ORR反应表现出巨大的潜力,有益于将来设计和开发新型ORR催化材料。
【关键词】：第一性原理计算 密度泛函理论 碳-氮基二维材料 光催化水分解 电催化 氧气还原反应
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB32
【目录】：

• 摘要6-8
• Abstract8-12
• 第一章 密度泛函理论12-24
• 1.1 两个基本近似(Bohn-Oppenheimer近似和Hartree-Fock近似)12-14
• 1.1.1 Bohn-Oppenheimer近似12-13
• 1.1.2 Hartree-Fock近似13-14
• 1.2 密度泛函理论简介14-17
• 1.2.1 Thomas-Fermi-Dirac模型15
• 1.2.2 Hohenberg-Kohn定理15-16
• 1.2.3 Kohn-Sham方程16-17
• 1.3 交换相关泛函17-19
• 1.3.1 局域密度近似(LDA)17-18
• 1.3.2 广义梯度近似(GGA)18
• 1.3.3 杂化泛函18-19
• 1.3.4 DFT+U19
• 1.3.5 范德瓦尔斯作用19
• 1.4 有效芯势方法19-22
• 1.4.1 原子模型势20
• 1.4.2 赝势方法20-21
• 1.4.3 有效芯势方法21-22
• 1.5 基于密度泛函理论常用的软件包简介22-23
• 参考文献23-24
• 第二章 二维材料在光和电催化领域的应用24-46
• 2.1 二维材料综述24-30
• 2.1.1 石墨烯的结构与性质24-27
• 2.1.2 其他二维材料27-30
• 2.2 碳氮基二维材料在光解水中的应用30-36
• 2.2.1 光催化制氢的机理与基本过程30-32
• 2.2.2 g-C_3N_4在光解水中的应用32-35
• 2.2.3 其它碳氮石墨烯基材料在光解水中的应用35-36
• 2.3 碳氮基二维材料在氧气还原反应中的应用36-41
• 2.3.1 燃料电池的催化机理37-38
• 2.3.2 石墨烯材料在ORR反应中的应用38
• 2.3.3 碳氮基的多孔二维材料的ORR研究进展38-41
• 参考文献41-46
• 第三章 g-C_3N_4/C_2N复合体系：提高g-C_3N_4基催剂的光催化效率46-60
• 3.1 g-C_3N_4光催化剂的发展46-48
• 3.2 计算方法48-49
• 3.3 g-C_3N_4/C_2N纳米复合体系的电子结构性质49-55
• 3.3.1 g-C_3N_4和C_2N单层几何结构和电子性质49-51
• 3.3.2 g-C_3N_4/C_2N复合体系的几何结构51-55
• 3.4 本章小结55-56
• 参考文献56-60
• 第四章 C_2N单层嵌入Me(Fe,Co,or Ni)原子催化氧气还原反应的第一性原理研究60-74
• 4.1 含过渡金属的碳氮基催化剂的性质介绍60-63
• 4.2 计算方法63
• 4.3 Me(Fe,Co,or Ni)原子嵌入C_2N单层对ORR过程的影响63-71
• 4.3.1 Me(Fe,Co,Ni)原子嵌入C_2N单层的稳定性63-65
• 4.3.2 O_2在Me@C_2N表面的吸附65-67
• 4.3.3 Me@C_2N的电子性质67-68
• 4.3.4 Me@C_2N中ORR的反应过程68-71
• 4.4 本章小结71-72
• 参考文献72-74
• 致谢74-76
• 在读期间发表的学术论文与取得的研究成果76

【参考文献】

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1 齐跃红;刘利;梁英华;胡金山;崔文权;;类石墨相C_3N_4复合光催化剂[J];化学进展;2015年01期

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本文编号：456427