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《南开大学》 2014年
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类石墨烯无机材料的计算研究

唐青  
【摘要】:石墨烯因其独特的性质和广泛的应用前景成为近几年来纳米材料科学领域的热点研究材料,在对石墨烯进行广泛且深入研究的同时也引起了人们对具有非碳组成的2D类石墨烯无机材料的关注和研究兴趣,并取得了许多重要的研究成果。在本论文中,我们运用密度泛函理论计算研究了不同类石墨烯材料体系的几何、电学、磁学性质,以及在气体吸附、储能、催化等领域的应用。 首先研究了分子掺杂和双氢键弱相互作用对于BN电子结构的调控作用。在BN体系表面以非共价弱相互作用的形式吸附强电子受体TCNQ使BN纳米片/纳米条带成为p-型半导体,而吸附强电子给体TTF使BN体系成为n-型半导体,两种分子与BN层之间均存在一定的电荷转移。另外,氢化的BN双层存在B-H…H-N层内双氢键,相互作用的两个H原子带相反电荷,因此存在一定的库仑吸引作用;不同构型的氢化BN结构电学性质差异很大,其中由于存在界面极性和电荷转移,椅式构型的BN双层成为窄带隙的半导体,但更为稳定的船式和马鞍式构型的BN双层仍保持单层的绝缘性(无界面极性和电荷转移),通过施加外电场可使最为稳定的马鞍构型BN双层的绝缘能隙降低甚至变成金属性。 接着研究了V205单层和纳米带结构的性质。单层V205为非磁性的半导体,表面氢化后变成磁性的金属;对于V205纳米带,扶手椅型纳米带为非磁性的半导体,而锯齿型的纳米带表现出铁磁性的金属性。当纳米带的边缘被氢饱和时,两种类型纳米带都成为非磁性的半导体;当纳米带的边缘和表面均被氢饱和时,两种类型纳米带都变成磁性的半金属。 BN和V205单层都源自层间作用力较弱的层状晶体,除此之外,从层间结合作用较强(如离子键或共价键作用)的材料中也可以获得类石墨烯材料,如从MAX相中可剥离得到MXene,纤锌矿结构在特定情况下也可以获得平面石墨结构,对于这两类材料,我们也做了相应的理论研究。 对于MXene材料,我们探究了Ti3C2的电子结构和储锂性能。Ti3C2单层为磁性金属,表面用F或OH基团修饰后成为非磁性的窄带隙半导体,能隙值在0.05eV左右。由于其表现出的本征金属性或窄带半导体特性,Ti3C2用作电极材料将具有一定的优势。吸附和扩散研究表明Li与Ti3C2有较强的库仑吸附作用,且Li在Ti3C2表面的扩散能垒很低,平均每个C原子对应储存一个Li(理论容量为320mAh·g-1).对于表面修饰的Ti3C2, Li在Ti3C2F2和Ti3C2(OH)2表面的迁移能垒增大且材料的储锂容量较之Ti3C2大大降低,因此在实际应用过程中MXene的表面功能化是不利因素。 对于纤锌矿材料,我们分别研究了ZnO和GaN纳米结构的电学特性。极性(0001)表面的ZnO薄膜在厚度低于9个Zn-O双层时会发生从纤锌矿向石墨相结构的转变,石墨状的ZnO表现为非磁性的半导体。当(0001)极性表面用H原子饱和后会维持原有的纤锌矿构型,且ZnO纳米片表现出丰富的电学和磁学性质,其与表面氢化的位置和纳米片的厚度有关。我们还研究了表面效应,边缘效应,以及量子尺寸效应对纤锌矿型GaN纳米带电学性质的影响,结果表明对于具有有限厚度和宽度的GaN纳米带,表面效应对纳米带的性质起主导作用。 此外,单层配位聚合物是一类新型的无机-有机杂化材料,它们表现出独特的性质和功能,我们研究了两种配合物([Cu2Br(IN)2]n和镍双(二硫烯)[NiC4S4]n)的特性。单层[Cu2Br(IN)2]n具有较强的气体吸附特性,其中NO和N02在[Cu2Br(IN)2]n表面的强吸附以及体系电学性质对这两种气体吸附的敏感性使得[Cu2Br(IN)2]n可作为潜在的气体分子传感器。镍双(二硫烯)单层是具有六角对称性的2D平面结构,其具有一定的乙烯加成活性(S原子对乙烯碳碳双键的亲电加成),二者反应形成热力学上稳定的间配体顺式加成产物。加成产物在还原条件下会自发离解形成乙烯和镍双(二硫烯)阴离子。因此,镍双(二硫烯)单层可以有控制地结合和释放出乙烯分子,使得这种材料可用于烯烃纯化的催化剂。
【学位授予单位】:南开大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2014
【分类号】:TQ127.11

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【引证文献】
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