基于BC3NT的混合系锂空气电池正极第一性原理研究

文章采用第一性原理,利用掺杂硼的碳纳米管(BC₃NT)容易产生拓扑缺陷的特点,将其用作混合系锂空气电池正极材料,研究了BC₃NT拓扑缺陷电子性质及氧分子吸附.结果表明:BC₃NT产生的拓扑缺陷使得氧气在纳米管外表面吸附更加稳定,且缺陷环越大,吸附越稳定.七元环缺陷、八元环缺陷分别会使氧气在纳米管外表面发生半解离吸附和完全解离吸附,有利于氧还原反应的发生;通过布居分析电荷转移进一步验证了缺陷环越大,转移电荷越多,吸附越稳定. BC₃NT能增强对氧分子的解离吸附能力,有利于氧还原反应的进行.该材料适合用作混合系锂空气电池正极,有利于提高其性能.     

氮掺杂的石墨烯作为钠离子电池负极材料的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,研究了本征石墨烯、氮掺杂的石墨烯和叽咯石墨烯吸附钠原子的电荷密度、吸附能、态密度和储存量.结果表明,三种石墨烯中,钠原子的最佳吸附位置为H位.与本征石墨烯相比,氮掺杂的石墨烯对钠原子的吸附能提高,叽咯石墨烯对钠原子的吸附能是-3.274 eV,约为本征石墨烯对钠原子吸附能的1.7倍.钠原子与叽咯石墨烯中的氮原子发生轨道杂化,而与本征石墨烯和氮掺杂的石墨烯没有发生轨道杂化现象.叽咯石墨烯能够吸附10个钠原子,与本征石墨烯相比显著提高,氮掺杂的石墨烯只能吸附4个钠原子.因此,叽咯石墨烯有望成为一种潜在的储钠材料.     

锂改性点缺陷石墨烯储氢性能的第一性原理研究

本研究采用基于密度泛函理论的第一性原理方法计算了两种石墨烯点缺陷处原子的分波态密度(PDOS),能带结构和差分电荷密度等,研究了锂掺杂对两种本征石墨烯缺陷C-Bridge和C7557电子结构的改性,以及对其储氢能力的影响.结果表明Li原子能够稳定的掺杂且不易形成团簇,并且Li原子掺杂石墨烯能够对石墨烯能带中的狄拉克锥和费米面起到调控作用,增强了缺陷石墨烯的电子活性.本征缺陷石墨烯的储氢能力较弱,缺陷石墨烯的储氢能力可以通过Li掺杂来改善.     

铝掺杂锰酸锂正极材料制备及第一性原理研究

采用固相法制备出高纯度纳米LiAl0.25Mn1.75O4并用此制备成了半电池,对其进行充放电循环测试和阻抗测试,并与原始LiMn2O4的测试结果相比较。另采用基于密度泛函理论的第一原理方法,研究了掺铝锰酸锂LiAl0.25Mn1.75O4的能带结构、态密度和原子布居,实验与计算分析结果表明LiAl0.25Mn1.75O4在室温下0.01C放电时首次放电容量为124.8mAh/h,室温0.2C下50个循环周期后放电比容量保持率可达到83.6%;LiAl0.25Mn1.75O4的能带带隙为0.21eV,分态密度中Al-s轨道与O-s轨道在-20eV左右的明显杂化,均表明LiAl0.25Mn1.75O4材料具有高导电率、高结构稳定性、高比容量保持率的性能,这为推动锂离子电池锰酸锂正极材料的发展提供理论依据。     

B掺杂的石墨烯作为钠离子电池负极材料的研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,研究了本征石墨烯及缺陷石墨烯对钠原子的吸附行为.主要研究了三种石墨烯:本征石墨烯(P-graphene)、硼掺杂的石墨烯(Defect-Ⅰ)和硼掺杂的叽咯石墨烯(Defect-Ⅱ).结果表明,与P-graphene相比,Defect-Ⅰ和Defect-Ⅱ在吸附能、电荷密度、态密度和储钠量方面表现出很大的差异.Defect-Ⅰ和Defect-Ⅱ对钠原子的吸附能分别是-3.250 eV和-2.332 eV,约为P-graphene对钠原子吸附能的1.71倍和1.23倍.态密度计算结果表明,Defect-Ⅰ和Defect-Ⅱ中钠原子与硼原子发生轨道杂化,而P-graphene中不存在轨道杂化现象.Defect-Ⅰ和Defect-Ⅱ对钠原子的吸附量分别是9和8个,与P-graphene相比提高.因此,石墨烯中掺杂硼有望成为一种新型的储钠材料.     

Fe/Co/Ni-N共掺杂石墨烯氧还原反应活性的DFT研究

为了研究Fe/Co/Ni-N掺杂石墨烯的氧还原反应(ORR)活性,比较单金属原子和氮不同的掺杂方式对石墨烯ORR活性的影响.利用Materials Studio软件建立了Fe/Co/Ni-N掺杂石墨烯模型,然后将氧气分子分别吸附在Fe/Co/Ni-N掺杂石墨烯模型表面上.采用CASTEP模块对构建的模型进行结构优化并模拟计算,分析了Fe/Co/Ni-N掺杂石墨烯的吸附能、脱附能和导电性变化规律.基于模拟计算,发现单金属原子掺杂石墨烯时,Fe掺杂石墨烯的ORR活性优于Co和Ni;单金属原子和氮共掺杂石墨烯时,Fe-N掺杂石墨烯的ORR活性高于Co-N和Ni-N掺杂石墨烯,且M-N₄-G形态的ORR活性优于M-N₁-G、M-N₂-G和M-N₃-G.     

掺杂石墨烯吸附特性的第一性原理研究

利用第一性原理方法研究了一氧化碳分子在本征和硼、氮、铝、磷掺杂的有限尺寸石墨烯上的吸附机理.结果表明,石墨烯作为一氧化碳传感器时的性能依赖于掺杂元素.本征、硼和氮掺杂石墨烯吸附一氧化碳时的吸附能较低,为物理吸附.铝、磷掺杂石墨烯的吸附能显著提高,比本征、硼和氮掺杂时高出约一个数量级,且铝和磷原子从石墨烯中突出,使其发生局部弯曲.铝掺杂石墨烯增强了石墨烯与一氧化碳分子之间的相互作用,可以提高石墨烯的气敏性和吸附能力,是一氧化碳传感器的最佳候选材料之一.     

镁离子电池正极材料VS_4掺杂改性的第一性原理研究

阳离子掺杂能够有效提高材料的电化学性能,而对掺杂材料结构和电化学性质的研究能从理论上解释产生这种变化的原因.本文采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,研究了过渡族金属掺杂的镁离子电池正极材料TM_(0.125)V_(0.875)S_4(TM=Mo、Fe、Co、Ni)的几何和电子结构变化,计算结果显示:通过采用范德华力修正的GGA+vdw-DF方法,获得了和实验结果相一致的晶格常数.阳离子掺杂后,a轴和b轴晶格常数减小,而c轴晶格常数增大.电子态密度分析表明离子掺杂能够有效降低带隙,提高材料的电子电导率.通过对镁离子扩散进行微动弹性带(NEB)计算,发现Fe掺杂能够有效降低扩散能垒,提高材料的离子迁移率.     

氮掺杂双层石墨烯吸附钠的第一性原理研究

采用密度泛函理论(DFT)的第一性原理方法,对Na在本征双层石墨烯(PBLG)和不同掺杂浓度的N掺杂石墨烯(NBLG)表面的吸附性质进行了研究.确定了不同N掺杂浓度时NBLG的最稳定N分布结构,计算了Na在PBLG和不同掺杂浓度的NBLG表面的吸附能.计算结果表明,N原子掺杂倾向于取代对位或次临近位置的C原子,并与下层C原子相对;随着N掺杂浓度的增加,吸附高度逐渐增加,且与掺杂N原子分布相匹配; Na在PBLG表面吸附使平均层间距增加,而在NBLG表面吸附使之减小; Na与C_(27)N_9表面的结合最稳定.     

硼掺杂双层石墨烯吸附钠的第一性原理研究

采用密度泛函理论(DFT)的第一性原理方法,对Na在本征双层石墨烯(PBLG)和不同掺杂浓度的B掺杂石墨烯(BBLG)表面的吸附性质进行了研究.确定了不同B掺杂浓度时BBLG的最稳定B分布结构,计算了Na在PBLG和不同掺杂浓度的BBLG表面的吸附能.计算结果表明,B原子掺杂倾向于占据上层中对位或次临近位置,并与下层中六边形碳环中心相对,B_4C_(32)的形成能最小;B掺杂浓度的增加使BBLG中上层石墨烯片层结构起伏增大,而对下层影响较小;Na在BBLG表面吸附高度和平均层间距受上层结构起伏影响显著;Na倾向于吸附在B_9C_(27)表面B原子的上方,使原始平面结构产生起伏,Na与B_9C_(27)表面的结合最稳定.     

First-principles study of plasmons in doped graphene nanostructures

The operating frequencies of surface plasmons in pristine graphene lie in the terahertz and infrared spectral range,which limits their utilization. Here, the high-frequency plasmons in doped graphene nanostructures are studied by the timedependent density functional theory. The doping atoms include boron, nitrogen, aluminum, silicon, phosphorus, and sulfur atoms. The influences of the position and concentration of nitrogen dopants on the collective stimulation are investigated,and the effects of different types of doping atoms on the plasmonic stimulation are discussed. For different positions of nitrogen dopants, it is found that a higher degree of symmetry destruction is correlated with weaker optical absorption. In contrast, a higher concentration of nitrogen dopants is not correlated with a stronger absorption. Regarding different doping atoms, atoms similar to carbon atom in size, such as boron atom and nitrogen atom, result in less spectral attenuation. In systems with other doping atoms, the absorption is significantly weakened compared with the absorption of the pristine graphene nanostructure. Plasmon energy resonance dots of doped graphene lie in the visible and ultraviolet spectral range.The doped graphene nanostructure presents a promising material for nanoscaled plasmonic devices with effective absorption in the visible and ultraviolet range.     

B/N掺杂对双层石墨烯电子特性影响的第一性原理研究

利用平面波超软赝势方法研究了B/N原子单掺杂和共掺杂对双层石墨烯电子特性的影响.对掺杂双层石墨烯进行结构优化,并计算了能带结构、态密度、分波态密度等.分析表明,层间范德瓦尔斯相互作用对双层石墨烯的电子特性有比较明显的影响;B/N原子单掺杂分别对应p型和n型掺杂,会使掺杂片层的能带平移,使得体系能带结构产生较大分裂;双层掺杂的石墨烯能带结构与掺杂原子的相对位置和距离有关,对电子特性有明显的调控作用.其中特别有意义的是,B/N双层共掺杂在不同位置情况下会得到金属性或禁带宽度约为0.3 eV的半导体能带.     

Pt掺杂CdS光学性质的第一性原理研究

基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势方法,运用Castep计算分析了Pt元素掺杂CdS结构,对本征CdS和掺杂晶体的能带结构、态密度以及光学性质进行了分析对比, 由掺杂前后的结果分析发现：Pt掺杂闪锌矿相CdS产生了新的能带,带隙明显缩小;CdS的吸收边产生红移,禁带宽度变窄,在可见光区具有较大吸收系数,提高了可见光的利用率,表现出较好的可见光光催化活性。     

Pt掺杂CdS光学性质的第一性原理研究

基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势方法,运用Castep计算分析了Pt元素掺杂CdS结构,对本征CdS和掺杂晶体的能带结构、态密度以及光学性质进行了分析对比, 由掺杂前后的结果分析发现：Pt掺杂闪锌矿相CdS产生了新的能带,带隙明显缩小;CdS的吸收边产生红移,禁带宽度变窄,在可见光区具有较大吸收系数,提高了可见光的利用率,表现出较好的可见光光催化活性。     

Al和Ni共掺ZnO光学性质的第一性原理研究

利用第一性原理方法研究了纯ZnO以及掺杂Al,Ni和（Al,Ni）共掺的ZnO材料,对掺杂前后晶体的几何结构、能带结构和电子态密度,特别是光学性质进行了比较分析. 计算结果表明,纯ZnO与Al-ZnO,Ni-ZnO和（Al,Ni）-ZnO的介电函数虚部在低能区有明显的差异,但在高能区则较为相似. 在光学性质上,Al-ZnO较之Ni-ZnO在可见光区的吸收系数和反射率都非常低,反映其在可见光区有高透过率. 而两原子共掺后的（Al,Ni）-ZnO,其光学性质较之单原子掺杂的情况有非常显著的变化. 关键词： ZnO 掺杂 第一性原理 光学性质     

Sb、Ce掺杂Mg2Ge的第一性原理研究

此文用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理赝势平面波方法系统的计算了Sb、Ce掺杂Mg₂Ge的能带结构、态密度以及光学性质,获得了Mg₂Ge掺杂Sb后,费米面进入导带,呈现n型导电;Mg₂Ge掺杂Ce后,上自旋电子在费米能级附近处的价带和导带有一部分重叠,呈现半金属特性,进入导带电子数目增多,导电性增强. Sb、Ce掺杂Mg₂Ge后,其主要吸收峰都小于未掺杂Mg₂Ge,在可见光区域的透过率增大;Sb掺入后,在能量低于2.6 eV反射谱出现红移,Ce掺入后Mg₂Ge的吸收范围明显宽于本征Mg₂Ge;掺杂改善了Mg₂Ge对红外光子的吸收等有益结果.     

三氧化钨表面氢吸附机理的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势方法,在广义梯度近似下,研究了立方WO_3,WO_3(001)表面结构及其氢吸附机理.计算结果表明立方晶体WO_3理论带隙宽度为0.587 eV.WO_3(001)表面有WO终止(001)表面和O终止(001)表面两种结构,表面结构优化后W—O键长和W—O—W键角改变,从而实现表面弛豫;WO终止(001)表面和O终止(001)表面分别呈现n型半导体特征和p型半导体特征.分别计算了H原子吸附在WO终止(001)表面和O终止(001)表面的H—O_(2c)—H,H—O_(2c)…H—O_(2c),H—O_(1c)—H和H—O_(1c)…H—O_(1c)四种吸附构型,其中H—O_(1c)—H吸附构型的吸附能最小,H—O键最短,H失去电子数最多,分别为-3.684 eV,0.0968 nm和0.55e,此吸附构型最稳定.分析其吸附前后的态密度,带隙从吸附前的0.624 eV增加到1.004 eV,价带宽度基本不变.H的1s轨道电子与O的2p,2s轨道电子相互作用,在-8和-20 eV附近各形成了一个较强的孤立电子峰,两个H原子分别与一个O_(1c)原子形成化学键,最终吸附反应生成了一个H_2O分子,同时产生了一个表面氧空位.