碳-氮基二維非金屬材料的第一性原理研究.pdf

1、近幾年來(lái)，由于二維材料在電子、光電子等領(lǐng)域具有新奇的物理性質(zhì)，引起了眾多物理、化學(xué)和材料科學(xué)家的廣泛關(guān)注。二維非金屬材料擁有無(wú)毒、易獲得、對(duì)環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，將二維非金屬材料進(jìn)行改性，也是獲得特定功能新型非金屬材料的重要手段。對(duì)于實(shí)驗(yàn)者來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)復(fù)雜、需要不斷嘗試的艱巨任務(wù)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，基于密度泛函理論（density fuctional theory）的第一性原計(jì)算的方法也取得了突破性的進(jìn)展，成為材料科學(xué)中理論模擬的重

2、要手段。利用第一性原理計(jì)算可以預(yù)測(cè)材料性質(zhì)，指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，大大縮短了實(shí)驗(yàn)探究的周期。本論文從第一性原理出發(fā)，以最新的非金屬二維材料為立足點(diǎn)，研究其在光催化以及電催化領(lǐng)域的應(yīng)用。
　　本論文一共四章，第一章簡(jiǎn)要介紹了密度泛函理論的起源和發(fā)展。首先從Bohn-Oppenheimer和Hartree-Fock近似出發(fā)，介紹了一些較基礎(chǔ)的量子力學(xué)的知識(shí)。接下來(lái)從Thomas-Fermi模型、Hohenberg-Kohn定理和Kohn-S

3、ham方程等入手，介紹密度泛函理論的發(fā)展與完善過(guò)程。緊接著介紹了介紹了交換相關(guān)泛函的種類和計(jì)算中經(jīng)常會(huì)被用到的有效芯勢(shì)方法。最后介紹了計(jì)算中用到的DFT相關(guān)的軟件包。
　　第二章中，首先從石墨烯的電子結(jié)構(gòu)和應(yīng)用出發(fā)，介紹幾年來(lái)研究比較熱的二維材料，包括過(guò)渡金屬硫?qū)倩?、二維硼氮、黑磷等。接下來(lái)介紹了環(huán)境友好型的碳-氮基二維材料的研究進(jìn)展，主要介紹其在光解水方面的應(yīng)用。最后介紹碳-氮基二維材料在電催化領(lǐng)域的應(yīng)用，著重講述其在燃料電池

4、方面的研究進(jìn)展。
　　第三章中，我們主要研究g-C3N4/C2N納米復(fù)合體系的電子結(jié)構(gòu)與光學(xué)性質(zhì)。理論研究表明，g-C3N4/C2N納米復(fù)合材料具有TypeⅡ的能帶結(jié)構(gòu)，能使體系的光生電子和空穴獲得有效分離;此外，g-C3N4/C2N納米復(fù)合結(jié)構(gòu)與g-C3N4單層相比，可見(jiàn)光響應(yīng)范圍有明顯拓寬，光響應(yīng)強(qiáng)度大大增強(qiáng)。顯然，這些理論研究為g-C3N4光催化性質(zhì)改善提出了新路徑，也為發(fā)展新型的非金屬光催化劑提出了可能性。
　　第四

5、章中，先簡(jiǎn)略介紹含過(guò)渡金屬的碳氮蒸催化劑，在實(shí)驗(yàn)上表現(xiàn)出優(yōu)異的ORR催化活性。然后我們提出了自己的模型:C2N嵌入過(guò)渡金屬原Fe，Co，和Ni，可寫(xiě)作Me@C2N，我們使用第一性原理探究了Me@C2N催化氧氣還原反應(yīng)(ORR)的熱力學(xué)過(guò)程。這一過(guò)程的研究顯示了C2N嵌入過(guò)渡金屬原子后，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，并對(duì)O2的吸附有了很大的改善，其ORR反應(yīng)的每一步都是放熱過(guò)程。這些理論研究表明Me@C2N在ORR反應(yīng)表現(xiàn)出巨大的潛力，有益于將來(lái)設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)新