低维纳米材料在清洁能源转换过程中的应用的理论研究

摘要

随着科技和经济的快速发展，资源短缺和环境污染所引起的全球范围内的能源环境危机在不断的加重。因此，各国的研究者们投入了很大的精力去研发可持续应用的清洁能源。近年来，以燃料电池、太阳能电池为代表的一些新能源材料吸引了越来越多研究者们的关注。燃料电池可通过电化学催化将化学能转化为电能，可持续、低成本、高催化活性的电催化剂的开发对于燃料电池的广泛应用至关重要。太阳能电池则是利用光生伏特效应将太阳能转化为电能，有效的电荷分离是提高其光电转换效率的关键。对于清洁能源的发展而言，除了新型的能源转换技术，伴随着新能源材料研发过程中所产生的污染性气体的危害也不容忽视。随着人们安全意识的增强，对于有毒有害气体的检测与控制显得越来越重要，这也为各种新型气体传感技术的开发提供了动力。
　　本文利用密度泛函理论对近年来新合成或预测的一些低维纳米材料在能源转换和气体传感方面的潜在应用进行了深入的理论模拟研究。本论文研究工作的主要内容和发现包括：
　　1、新型硼掺杂石墨烯纳米带（BGNR）作为一种潜在的氧还原反应催化剂的应用研究。BGNR表面催化反应活性位点确定为显正电的硼原子。通过比较不同反应路径的活化能垒，可以发现反应更倾向于通过直接四电子路径进行。其中，OH的形成（Ea=0.38eV）是整个反应的速控步（RDS）。通过计算可以得到反应的过电位为0.38V，明显低于传统的Pt基催化剂（0.45V）。硼掺杂浓度的提高不仅提供了更多的催化活性位点也显著提高了BGNR的催化性能。我们的理论计算表明，这种新型硼掺杂石墨烯纳米带作为一种高效的ORR催化剂，在燃料电池领域具有很好的应用前景。
　　2、利用含时密度泛函理论以及非绝热分子动力学方法研究了MoS2/WS2异质结中超快电荷转移过程。模拟结果表明，空穴从MoS2层转移至 WS2层的时间是74fs，与实验数据吻合得很好。由于施主和受主之间相互作用更强，非绝热耦合贡献更大，使得空穴转移的时间比电子转移的时间快一个数量级左右。模拟发现A1g振动模式（400cm-1）对层间超快的电荷转移过程起到很重要的作用。该工作对新型光伏器件的设计具有重要的理论指导意义。
　　3、硅化石墨烯g-SiC5在空气污染物气体分子检测和传感方面的潜在应用研究。我们系统探究了十二种常见的气体分子在g-SiC5上的吸附机理。研究结果表明，一些空气污染物气体分子能在g-SiC5上构成稳定的化学吸附。其中，NO、HCHO和SO2在g-SiC5上具有比较适中的吸附能（在0.4-0.6eV范围内）。由于轨道杂化，NO、HCHO和SO2气体分子吸附后可以打开半金属g-SiC5的带隙，引起电导的变化，从而表现出气敏传感特性。与其他硅化石墨烯的对比研究表明，g-SiC5在气体检测方面具有更加突出的优势。该研究说明g-SiC5可应用于气体传感器来检测空气混合物中的NO、HCHO和SO2等气体分子。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 燃料电池及氧还原反应催化剂

1.2 光伏器件及过渡金属硫族化合物异质结

1.3 大气污染及气体传感器

1.4本文研究的目的和主要工作

第二章 材料计算模拟原理及方法

2.1密度泛函理论

2.2含时密度泛函理论

2.3 线性响应理论

2.4 含时Kohn-Sham理论与非绝热耦合

2.5 Material Studio中量子力学模拟程序

2.6 VASP计算软件包的简介

第三章 硼掺杂石墨烯纳米带作为氧还原反应催化剂的理论计算研究

3.1 引言

3.2 计算方法

3.3 结果与讨论

3.4几种硼掺杂石墨烯类材料之间的综合比较

3.5本章小结

第四章 MoS2/WS2异质结在不同的k空间的超快电荷转移过程研究

4.1 引言

4.2 计算方法

4.3 结果与讨论

4.4 本章小结

第五章 新颖SiC5硅化石墨烯作为空气污染物的气体传感器的理论研究

5.1 引言

5.2 计算方法

5.3 结果与讨论

5.4 本章小结

第六章 总结

参考文献

攻读学位期间公开发表的论著、论文

致谢