新型二维能源材料的理论设计与探索
发布时间：2021-09-27 19:26
随着石墨烯在实验中成功制备以来,二维材料引起了科研工作者的广泛关注。其原子级别厚度的结构特点,使得这种材料同三维块体材料相比,具有更好的物理化学性质。截至目前为止,理论和实验上已经成功预测并制备了诸多二维结构体系,比如过渡金属硫族化合物、黑磷、硅烯、锗烯以及MXene结构等。这些二维材料体系被广泛应用于光学、磁学、自旋电子学以及纳米材料器件等领域,并表现出了重要的科学和应用价值。特别在新能源的生产和转化等领域,更是体现出了二维材料的优越性。比如在光催化中,由于维度的降低,载流子会更快地迁移到半导体材料的表面,因此具有更快的迁移速率,这就大大减小了载流子的复合率,提高了材料的光催化效率。不仅如此,更大的比表面积使得二维材料通常具有比其块体结构更高的光催化以及电催化反应效率。此外,二维体系中高载流子迁移速率,能提高发生在太阳能电池中的光电转换效率。这些优良的性质为解决全球面临的环境污染和能源短缺等问题提供了新思路。在本论文中,我们借助于第一性原理计算,系统地研究了一系列二维材料的机械、电子和光学等性质,并通过一些修饰手法,比如原子吸附、构建异质结等,探究了其在光催化、电催化及太阳能电池中的...
【文章来源】：山东大学山东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：148 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
中文摘要
Abstract
符号说明
第一章 绪论
1.1 引言
1.2 二维材料的研究现状
1.3 二维材料在催化以及光电转换中的应用
1.3.1 二维材料在光催化分解水方面的应用
1.3.2 二维材料在电催化分解水方面的应用
1.3.3 二维材料在太阳能电池方面的应用
1.4 本论文的研究内容与主要结论
参考文献
第二章 第一性原理计算方法及计算软件介绍
2.1 第一性计算原理简介
2.2 多粒子体系薛定谔方程及其求解
2.2.1 多粒子体系薛定谔方程
2.2.2 Born-Oppenheimer近似(绝热近似)
2.2.3 Hartree-Fock 近似
2.3 密度泛函理论简介
2.3.1 Thomas-Fermi模型
2.3.2 Hohenberg-Kohn定理
2.3.3 Kohn-Sham方程
2.4 交换关联泛函简介
2.4.1 局域密度近似(LDA)
2.4.2 广义梯度近似(GGA)
2.4.3 GGA+U方法
2.4.4 杂化泛函
2.5 含时密度泛函理论简介
2.5.1 含时密度泛函理论
2.5.2 最少面间跃变
2.6 第一性原理计算软件包简介
参考文献
第三章 二维光催化分解水材料的理论研究
3.1 Ag-MoS_2复合体系光电性质的探究
3.1.1 实验和理论研究背景
3.1.2 计算方法和模型
3.1.3 结果和讨论
3.1.3.1 单层MoS_2的基本性质及其稳定的Ag吸附构型
3.1.3.2 Ag-MoS_2吸附构型的电子性质
3.1.3.3 Ag-MoS_2吸附构型在光催化分解水中的应用
3.1.4 小结
参考文献
3.2 Ⅱ型能带对齐方式横向异质结CdS/ZnSe分解水的理论研究
3.2.1 实验和理论研究背景
3.2.2 计算方法和模型
3.2.3 结果与讨论
3.2.3.1 单层CdS和ZnSe的基本电子性质
3.2.3.2 CdS/ZnSe异质结的结构稳定性
3.2.3.3 CdS/ZeSe异质结体系的电子性质
3.2.3.4 CdS/ZeSe横向异质结在光催化分解水中的应用
3.2.4 小结
参考文献
3.3 GeSe@SnS:堆叠Janus结构全解水的理论研究
3.3.1 实验和理论研究背景
3.3.2 计算方法与模型
3.3.3 结果和讨论
3.3.3.1 单层SnS和GeSe的基本电子性质
3.3.3.2 纵向异质结体系的稳定性和电子性质
3.3.3.3 SeGe@SSn在光催化分解水中的应用
3.3.4 小结
参考文献
3.4 Janus第Ⅲ主族单层硫化物:一种潜在的可见光催化剂
3.4.1 实验和理论研究背景
3.4.2 计算方法和模型
3.4.3 结果和讨论
3.4.3.1 Janus几何结构及其稳定性
3.4.3.2 Janus结构丰富可调的电子性质
3.4.3.3 Janus结构在光催化分解水中的应用
3.4.4 小结
参考文献
第四章 单层Ti_4X_3 (X=C,N)本征析氢活性的理论研究
4.1 实验和理论研究背景
4.2 计算方法与模型
4.3 结果和讨论
4.3.1 Ti_4X_3的几何结构和在水溶液中的稳定性
4.3.2 Ti_4X_3O_2的析氢活性探究
4.4 小结
参考文献
第五章 单层HfTeSe_4光伏太阳能电池性能的理论研究
5.1 实验和理论研究背景
5.2 计算方法和模型
5.3 结果和讨论
5.3.1 单层HfTeSe_4的几何结构及其稳定性
5.3.2 单层HfTeSe_4的光电性质
5.3.3 单层HfTeSe_4在光伏太阳能电池中的应用
5.4 小结
参考文献
第六章 总结与展望
6.1 主要结论与创新点
6.2 展望
致谢
攻读学位期间发表的学术论文目录和获奖等情况
1 发表论文目录
2 参加的学术会议
3 获奖情况
4 参与的科研项目
附录:攻读博士学位期间所发表的英文论文(原文)
学位论文评阅及答辩情况表
本文编号：3410493
【文章来源】：山东大学山东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：148 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
中文摘要
Abstract
符号说明
第一章 绪论
1.1 引言
1.2 二维材料的研究现状
1.3 二维材料在催化以及光电转换中的应用
1.3.1 二维材料在光催化分解水方面的应用
1.3.2 二维材料在电催化分解水方面的应用
1.3.3 二维材料在太阳能电池方面的应用
1.4 本论文的研究内容与主要结论
参考文献
第二章 第一性原理计算方法及计算软件介绍
2.1 第一性计算原理简介
2.2 多粒子体系薛定谔方程及其求解
2.2.1 多粒子体系薛定谔方程
2.2.2 Born-Oppenheimer近似(绝热近似)
2.2.3 Hartree-Fock 近似
2.3 密度泛函理论简介
2.3.1 Thomas-Fermi模型
2.3.2 Hohenberg-Kohn定理
2.3.3 Kohn-Sham方程
2.4 交换关联泛函简介
2.4.1 局域密度近似(LDA)
2.4.2 广义梯度近似(GGA)
2.4.3 GGA+U方法
2.4.4 杂化泛函
2.5 含时密度泛函理论简介
2.5.1 含时密度泛函理论
2.5.2 最少面间跃变
2.6 第一性原理计算软件包简介
参考文献
第三章 二维光催化分解水材料的理论研究
3.1 Ag-MoS_2复合体系光电性质的探究
3.1.1 实验和理论研究背景
3.1.2 计算方法和模型
3.1.3 结果和讨论
3.1.3.1 单层MoS_2的基本性质及其稳定的Ag吸附构型
3.1.3.2 Ag-MoS_2吸附构型的电子性质
3.1.3.3 Ag-MoS_2吸附构型在光催化分解水中的应用
3.1.4 小结
参考文献
3.2 Ⅱ型能带对齐方式横向异质结CdS/ZnSe分解水的理论研究
3.2.1 实验和理论研究背景
3.2.2 计算方法和模型
3.2.3 结果与讨论
3.2.3.1 单层CdS和ZnSe的基本电子性质
3.2.3.2 CdS/ZnSe异质结的结构稳定性
3.2.3.3 CdS/ZeSe异质结体系的电子性质
3.2.3.4 CdS/ZeSe横向异质结在光催化分解水中的应用
3.2.4 小结
参考文献
3.3 GeSe@SnS:堆叠Janus结构全解水的理论研究
3.3.1 实验和理论研究背景
3.3.2 计算方法与模型
3.3.3 结果和讨论
3.3.3.1 单层SnS和GeSe的基本电子性质
3.3.3.2 纵向异质结体系的稳定性和电子性质
3.3.3.3 SeGe@SSn在光催化分解水中的应用
3.3.4 小结
参考文献
3.4 Janus第Ⅲ主族单层硫化物:一种潜在的可见光催化剂
3.4.1 实验和理论研究背景
3.4.2 计算方法和模型
3.4.3 结果和讨论
3.4.3.1 Janus几何结构及其稳定性
3.4.3.2 Janus结构丰富可调的电子性质
3.4.3.3 Janus结构在光催化分解水中的应用
3.4.4 小结
参考文献
第四章 单层Ti_4X_3 (X=C,N)本征析氢活性的理论研究
4.1 实验和理论研究背景
4.2 计算方法与模型
4.3 结果和讨论
4.3.1 Ti_4X_3的几何结构和在水溶液中的稳定性
4.3.2 Ti_4X_3O_2的析氢活性探究
4.4 小结
参考文献
第五章 单层HfTeSe_4光伏太阳能电池性能的理论研究
5.1 实验和理论研究背景
5.2 计算方法和模型
5.3 结果和讨论
5.3.1 单层HfTeSe_4的几何结构及其稳定性
5.3.2 单层HfTeSe_4的光电性质
5.3.3 单层HfTeSe_4在光伏太阳能电池中的应用
5.4 小结
参考文献
第六章 总结与展望
6.1 主要结论与创新点
6.2 展望
致谢
攻读学位期间发表的学术论文目录和获奖等情况
1 发表论文目录
2 参加的学术会议
3 获奖情况
4 参与的科研项目
附录:攻读博士学位期间所发表的英文论文(原文)
学位论文评阅及答辩情况表
本文编号：3410493
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