锂硫电池中硒缺陷WSe2催化性能的理论研究

二硒化钨具有优异导电性、高比表面积和大间距层状结构等特点,能作为催化材料有效提升锂硫电池的性能;然而少量的边缘活性位点阻碍了其催化活性的进一步提升.通过引入原子空位制造表面缺陷,可使其暴露更多的表面活性位点,提高催化活性.本文通过第一性原理计算考察了不同Se空位缺陷浓度(3.125%,6.25%,9.375%和12.5%)WSe₂表面的多硫化物吸附能力、锂离子迁移能力和多硫化物转化能力,探究了缺陷改性硒化钨在锂硫电池中的应用潜力.结果表明,6.25%中等空位缺陷浓度的WSe₂表面具有适中的多硫化物吸附能力、快速的锂离子迁移和对于充电放电过程的同步促进作用,是最优势的表面;3.125%的低空位缺陷WSe₂表面对于多硫化物吸附、锂离子迁移和充放电过程均不利;9.375%和12.5%的高空位缺陷WSe₂表面虽然有利于锂离子迁移,但是对于短链多硫化物的吸附能力过强,同时不利于放电过程.     

First-principles study of ferromagnetism in N doped TiO2 and TiO

N doped TiO is nonmagnetic, in which spin-split impurity states are not induced near the Fermi energy (E_F) by N dopant. N doped TiO₂ along with transition-metal (TM) doped TiO is magnetic, in which spin-split impurity states are induced across E_F. The magnetic moment is determined by the 3d4s electron configurations and the valence states of TM-dopant ions when they substitute Ti. Hence, the origin of ferromagnetism of N doped TiO₂ and TiO is not closely related to the width of the band gaps of host oxides, but would be crucially related to that if the dopant can induce spin-split impurity states near E_F.     

Ab initio study of the structural,electronic, elastic and magnetic properties of Cu2GdIn,Ag2GdIn and Au2GdIn

We preformed first-principle calculations for the structural, electronic, elastic and magnetic properties of Cu₂GdIn, Ag₂GdIn and Au₂GdIn using the full-potential linearized augmented plane wave (FP-LAPW) scheme within the generalized gradient approximation by Wu and Cohen (GGA-WC), GGA+U, the local spin density approximation (LSDA) and LSDA+U. The lattice parameters, the bulk modulus and its pressure derivative and the elastic constants were determined. Also, we present the band structures and the densities of states. The electronic structures of the ferromagnetic configuration for Heusler compounds (X₂GdIn) have a metallic character. The magnetic moments were mostly contributed by the rare-earth Gd 4f ion.     

KDP晶体本征中性点缺陷的第一性研究

 用第一性原理研究了KH2PO4(KDP)晶体中性本征点缺陷的形成能并计算了常温下点缺陷的浓度。计算得到中性填隙氢原子的形成能为2.05 eV,进而得到298 K下的浓度约为1.21×10^-17 mol/L。由于填隙氢原子在带隙中形成缺陷能级,并使能隙降低了2.6 eV, 因此消除填隙氢原子有利于提高晶体在355 nm附近的激光损伤阈值。计算得到的氧间隙、氧空位、钾空位和氢空位的形成能分别为0.60、5.25、6.50 和6.58 eV,常温下它们在晶体中也以较高的浓度存在。钾空位使晶胞体积增大约3.2%,并可能提高晶体电导率,从而降低光损伤阈值。P取代K的反位结构缺陷形成能尽管较低(4.1 eV), 但由于晶体生长溶液中P是以PO4四面体的形式存在,故此点缺陷的存在几率很小。     

ITO负载单原子钇吸附NO和CO的第一性原理研究

基于密度泛函理论,对氧化铟锡(Indium Tin Oxide,ITO)表面负载单原子Y模型的表面性能进行了第一性原理计算.根据表面能计算结果可知,单原子Y最稳定负载位置为空位(H),即确定了ITO负载单原子钇(Single-atom Y supported on ITO,Y/ITO)稳定模型.对ITO和Y/ITO表面吸附气体分子(NO和CO)模型的吸附性能进行了第一性原理计算.根据对比ITO和Y/ITO表面的吸附能和态密度计算结果可知,单原子钇负载提高了ITO表面的稳定性和吸附性能.根据对比Y/ITO表面吸附NO和CO气体分子的吸附能和态密度计算结果可知,NO和CO气体分子吸附均为自发行为,过程放热.且NO气体分子更容易吸附在Y/ITO表面,即Y/ITO对NO气体分子更敏感.     

水系锌离子电池嵌入负极材料TiX2 (X = S,Se)的储锌机制

水系锌离子电池(ZIBs)以其低成本、高安全性和环境友好的优点受到了研究者的广泛关注，成为大规模电化学储能系统的理想选择之一。然而锌金属负极在应用时面临着锌枝晶生长、腐蚀反应和副反应等难以克服的障碍，严重制约了水系锌离子电池的发展。探索可替代锌金属的储锌负极是应对上述问题的有效策略，因此研究者围绕过渡金属氧化物、硫化物和导电聚合物开展了深入研究。以TiX₂ (X = S, Se)为代表的二维过渡金属硫族化合物(TMDs)具有较大的层间距和快速的离子传输通道，可作为锌离子电池的负极，但其储锌反应机制尚未得到完整的揭示。在本文中，我们使用密度泛函理论(DFT)计算方法系统地研究锌离子在TiX₂中的嵌入反应。首先我们采用群论去描述嵌锌TiX₂的稳定层间构型的特点，定义了一个依赖于超胞并且只涉及平移旋转两种对称操作的群，其子群可以用来描述层间构型的对称性，而且用来描述最稳定构型的子群总是倾向于有最大的阶数。基于该计算得到的一系列对应于不同放电深度的TiX₂的稳定结构，我们发现TiS₂和TiSe₂两种材料在锌嵌入/脱出过程中的开路电压(OCV)均低于0.5 V。态密度(DOS)的计算结果表明TiX₂具有很好的电子导电性，而分波态密度(PDOS)的结果显示随着锌的嵌入闭壳层的Ti⁴⁺还原成开壳层的Ti³⁺，并且伴随着Zn―X键的生成。Bader电荷分析的结果表明随着X的嵌入，X相比Ti得到了更多的负电荷，意味着X也参与了TiX₂的氧化还原过程。爬坡弹性带方法(CINEB)计算的结果证实了Zn²⁺在TiX₂中具有较低的扩散能垒(对于TiS₂是0.333 eV，对于TiSe₂是0.338 eV)。本文的研究结果不仅从本质上证明了TiX₂适合作为锌离子电池的嵌锌负极材料，而且为其他高性能TMDs电池材料的DFT研究提供了新的见解。