Mn掺杂TiO_2(101)提高锂空电池阴极催化活性的第一性原理研究

本文基于密度泛函理论对TiO_2(101)和Mn_xTi_(1-x)O_2(101)作为锂空电池阴极催化材料进行了研究,发现其表面能够生成两种不同结构的Li_2O_2,进一步地研究了其中最稳定的生成结构并通过计算锂空电池首次充放电过程中的过电势来评价催化性能.结果表明,Mn掺杂进入Ti O_2(101)对充放电的过电势均有降低作用,深入分析发现掺杂Mn对TiO_2促进阴极催化反应的本质因素源于掺杂原子Mn的d态轨道的分布以及其平均能量.掺杂原子的d态轨道在费米能级处的峰态诱导了附近O的p态轨道,二者共同作用在Mn_xTi_(1-x)O_2(101)的总态密度的费米能级处形成多个新峰,改变了催化剂的导电方式.此外,由于掺杂原子Mn的d态轨道的平均能量高于Ti原子,使得O的p态轨道受到更多的激发,促使在Mn掺杂原子附近的氧空位形成能降低,为放电过程阴极催化反应的氧还原提供了更多的活性位点并且有利于氧气的吸附与还原.     

第一性原理计算绝缘体-金属转变临界掺杂浓度:Co重掺杂Si体系

基于密度泛函理论的第一性原理方法,本文旨在探索确定绝缘体-金属转变临界浓度的理论计算方法.以Co重掺杂Si为研究对象,构建并计算了10个Co不同掺杂浓度模型的晶体结构、杂质形成能及其电子性质.发现在Co掺杂Si体系的带隙中形成了杂质能级,杂质能级的位置和宽度随着Co浓度的增加呈线性变化.当Co掺杂浓度较高时杂质形成能逐渐稳定,且杂质能级穿过费米能级使体系表现出金属性.综合杂质形成能的变化趋势,以及杂质能级极小值与费米能级间的距离条件,可预测出发生绝缘体-金属转变的Co掺杂浓度为2.601Wingdings 2MC@10~(20) cm~(-3),与实验结果相一致.上述两条依据应用于S重掺杂Si体系和Se重掺杂Si体系同样成立.