本文關(guān)鍵詞：碳—氮基二維非金屬材料的第一性原理研究，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：近幾年來,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毒、易獲得、對環(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。對于實(shí)驗(yàn)者來說,這是一個復(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)中理論模擬的重要手段。利用第一性原理計(jì)算可以預(yù)測材料性質(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。接下來從Thomas-Fermi模型、Hohenberg-Kohn定理和Kohn-Sham方程等入手,介紹密度泛函理論的發(fā)展與完善過程。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)常會被用到的有效芯勢方法。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),介紹幾年來研究比較熱的二維材料,包括過渡金屬硫?qū)倩铩⒍S硼氮、黑磷等。接下來介紹了環(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Type Ⅱ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。第四章中,先簡略介紹含過渡金屬的碳氮基催化劑,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嵌入過渡金屬原Fe,Co,和Ni,可寫作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)過程。這一過程的研究顯示了C2N嵌入過渡金屬原子后,結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,并對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,有益于將來設(shè)計(jì)和開發(fā)新型ORR催化材料。
【關(guān)鍵詞】：第一性原理計(jì)算 密度泛函理論 碳-氮基二維材料 光催化水分解 電催化 氧氣還原反應(yīng)
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TB32
【目錄】：

• 摘要6-8
• Abstract8-12
• 第一章 密度泛函理論12-24
• 1.1 兩個基本近似(Bohn-Oppenheimer近似和Hartree-Fock近似)12-14
• 1.1.1 Bohn-Oppenheimer近似12-13
• 1.1.2 Hartree-Fock近似13-14
• 1.2 密度泛函理論簡介14-17
• 1.2.1 Thomas-Fermi-Dirac模型15
• 1.2.2 Hohenberg-Kohn定理15-16
• 1.2.3 Kohn-Sham方程16-17
• 1.3 交換相關(guān)泛函17-19
• 1.3.1 局域密度近似(LDA)17-18
• 1.3.2 廣義梯度近似(GGA)18
• 1.3.3 雜化泛函18-19
• 1.3.4 DFT+U19
• 1.3.5 范德瓦爾斯作用19
• 1.4 有效芯勢方法19-22
• 1.4.1 原子模型勢20
• 1.4.2 贗勢方法20-21
• 1.4.3 有效芯勢方法21-22
• 1.5 基于密度泛函理論常用的軟件包簡介22-23
• 參考文獻(xiàn)23-24
• 第二章 二維材料在光和電催化領(lǐng)域的應(yīng)用24-46
• 2.1 二維材料綜述24-30
• 2.1.1 石墨烯的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)24-27
• 2.1.2 其他二維材料27-30
• 2.2 碳氮基二維材料在光解水中的應(yīng)用30-36
• 2.2.1 光催化制氫的機(jī)理與基本過程30-32
• 2.2.2 g-C_3N_4在光解水中的應(yīng)用32-35
• 2.2.3 其它碳氮石墨烯基材料在光解水中的應(yīng)用35-36
• 2.3 碳氮基二維材料在氧氣還原反應(yīng)中的應(yīng)用36-41
• 2.3.1 燃料電池的催化機(jī)理37-38
• 2.3.2 石墨烯材料在ORR反應(yīng)中的應(yīng)用38
• 2.3.3 碳氮基的多孔二維材料的ORR研究進(jìn)展38-41
• 參考文獻(xiàn)41-46
• 第三章 g-C_3N_4/C_2N復(fù)合體系：提高g-C_3N_4基催劑的光催化效率46-60
• 3.1 g-C_3N_4光催化劑的發(fā)展46-48
• 3.2 計(jì)算方法48-49
• 3.3 g-C_3N_4/C_2N納米復(fù)合體系的電子結(jié)構(gòu)性質(zhì)49-55
• 3.3.1 g-C_3N_4和C_2N單層幾何結(jié)構(gòu)和電子性質(zhì)49-51
• 3.3.2 g-C_3N_4/C_2N復(fù)合體系的幾何結(jié)構(gòu)51-55
• 3.4 本章小結(jié)55-56
• 參考文獻(xiàn)56-60
• 第四章 C_2N單層嵌入Me(Fe,Co,or Ni)原子催化氧氣還原反應(yīng)的第一性原理研究60-74
• 4.1 含過渡金屬的碳氮基催化劑的性質(zhì)介紹60-63
• 4.2 計(jì)算方法63
• 4.3 Me(Fe,Co,or Ni)原子嵌入C_2N單層對ORR過程的影響63-71
• 4.3.1 Me(Fe,Co,Ni)原子嵌入C_2N單層的穩(wěn)定性63-65
• 4.3.2 O_2在Me@C_2N表面的吸附65-67
• 4.3.3 Me@C_2N的電子性質(zhì)67-68
• 4.3.4 Me@C_2N中ORR的反應(yīng)過程68-71
• 4.4 本章小結(jié)71-72
• 參考文獻(xiàn)72-74
• 致謝74-76
• 在讀期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文與取得的研究成果76

【參考文獻(xiàn)】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 齊躍紅;劉利;梁英華;胡金山;崔文權(quán);;類石墨相C_3N_4復(fù)合光催化劑[J];化學(xué)進(jìn)展;2015年01期

  本文關(guān)鍵詞：碳—氮基二維非金屬材料的第一性原理研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號：456427