氫能是被公認(rèn)的環(huán)保型能源,具有高效可再生的特性,它有望取代化石燃料成為21世紀(jì)新型綠色可持續(xù)能源。為了更好地在應(yīng)用時儲藏氫能源,儲氫材料應(yīng)具有良好的儲氫性能以及常溫常壓下較大的質(zhì)量和體積密度,且儲氫過程可逆等特點(diǎn)。因為二維結(jié)構(gòu)具有較大的表面體積比,二維材料在作為儲氫方面的媒介正受到廣泛的研究。二維硒化鍺(2D GeSe)在不斷增長的二維材料家族中已經(jīng)成為一種重要的電子材料,其儲量豐富,環(huán)境友好。但對于二維GeSe在儲氫方面的研究還缺乏,迫切需要探索以該二維材料為基礎(chǔ)的下一代儲氫介質(zhì),并研究其儲氫性能。本文基于第一性原理計算,研究了堿金屬原子對于二維GeSe的儲氫性能調(diào)制效應(yīng)。開展的研究主要有:堿金屬原子在二維GeSe表面的微觀結(jié)構(gòu)與電子性質(zhì);堿金屬原子在二維GeSe表面的擴(kuò)散機(jī)制;堿金屬原子修飾的二維硒化鍺吸附氫氣的微觀結(jié)構(gòu)與電子性質(zhì);以及堿金屬原子修飾的二維硒化鍺的儲氫性能及可逆性等。獲得的主要結(jié)論如下:(1)研究了堿金屬原子在二維GeSe表面的微觀結(jié)構(gòu)和電子性質(zhì)。發(fā)現(xiàn)堿金屬原子(Li、Na、K)的結(jié)合能在高對稱性吸附位點(diǎn)H_1位點(diǎn)(兩個Se原子和相鄰的Ge原子構(gòu)成的四方形中心)最高,吸附最穩(wěn)定。在研究的堿金屬原子中,Li原子與二維硒化鍺原子層之間的靜電相互作用最強(qiáng),其成鍵方式主要為離子鍵。通過過渡態(tài)計算發(fā)現(xiàn)堿金屬原子不易在二維GeSe表面形成團(tuán)簇,而會在二維GeSe表面沿鋸齒型方向擴(kuò)散,并且Li、Na和K原子的擴(kuò)散勢壘隨著原子半徑的增加而降低。(2)研究了氫氣分子在堿金屬修飾的二維GeSe表面的吸附性能。發(fā)現(xiàn)未修飾的二維GeSe單原子層不易吸附氫氣分子。而經(jīng)過堿金屬吸附修飾的單層GeSe,因堿金屬修飾增強(qiáng)了二維GeSe表面與氫氣分子之間的靜電相互作用,使得氫氣分子的吸附能力獲得提高。通過態(tài)密度分析發(fā)現(xiàn),堿金屬原子的電離作用使氫氣分子吸附在堿金屬修飾的二維GeSe系統(tǒng)呈現(xiàn)金屬性。(3)計算了Li原子修飾的二維GeSe體系的最大儲氫容量。發(fā)現(xiàn)其氫氣分子平均吸附能為-0.12eV,處于氫氣分子從基底表面解離的吸附能范圍內(nèi),說明其吸附氫氣的過程可逆。發(fā)現(xiàn)通過雙面吸附氫氣分子能獲得5.53wt%的儲氫質(zhì)量密度,達(dá)到了美國能源部在儲氫材料質(zhì)量密度方面的標(biāo)準(zhǔn),表明Li原子修飾的二維GeSe是一種有前景的儲氫材料。
【學(xué)位單位】：湘潭大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TB34;TK91
【部分圖文】：

圖 1.1 用于氫能儲藏、制備以及車載儲氫系統(tǒng)的代表性材料[7]載體等方面的開發(fā)利用已成為焦點(diǎn)。歐盟和美國都制定了相關(guān)的戰(zhàn)略規(guī)劃，重點(diǎn)研究氫能源電池和車載儲氫系統(tǒng)等，并且美國已成功應(yīng)用液態(tài)氫于航天燃料領(lǐng)域。近年來，我國也在氫能源開發(fā)利用領(lǐng)域如加氫站等取得較大進(jìn)步。1885 年，第一臺內(nèi)燃機(jī)汽車的出現(xiàn)開啟了以汽油、柴油和其他化石燃料為能源載體的汽車時代。汽車工業(yè)的爆炸式發(fā)展促進(jìn)了經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，給我們的日常生活帶來了便利，而化石燃料的燃燒不足也成為了當(dāng)前環(huán)境危機(jī)的主要因素之一。氫燃料電池以其清潔、儲存豐富、環(huán)保、可再生等優(yōu)點(diǎn)可被應(yīng)用于燃料電池或車載儲氫平臺[7-11]。氫能源系統(tǒng)的應(yīng)用有賴于氫燃料電池汽車和其他便攜式和固定式氫動力裝置的成功研究。具體來說，車載儲氫系統(tǒng)需要使氫燃料電池汽車具有與傳統(tǒng)機(jī)動車輛相當(dāng)?shù)男阅堋Ｈ欢�，現(xiàn)有的加壓液化儲氫技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)對氫能源的大規(guī)模應(yīng)用，如何使氫能源能夠替代傳統(tǒng)能源燃料作為汽車的主要動力仍面臨著一系列問題與挑戰(zhàn)。1.1.2 儲氫技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用

1.2 GeSe的實(shí)驗制備1.2.1 GeSe超薄納米片制備硒化鍺(GeSe)具有良好的能帶傳導(dǎo)性能、高的載流子遷移率和平面各向異性在光電子器件中具有廣闊的應(yīng)用前景[47-49]。二維 GeSe 材料是最引人注目的光電探測器候選之一，原因如下:(1)鍺、硒元素在自然界中相對豐富，對環(huán)境友好；(2)單層硒化鍺具有直接帶隙，其 1.1-1.2 eV 的窄帶隙意味著硒化鍺的光響應(yīng)行為與太陽光譜有交疊，從而能更好地吸收太陽光譜;(3)GeSe 具有大 104cm-1的高吸收系數(shù)。而且計算得到 GeSe 的有效電子質(zhì)量為 0.31m0，小于 MoS2的有效電子質(zhì)(0.48m0)，單分子層 GeSe 的預(yù)測電子遷移率甚至達(dá)到了 103cm2V 1S 1的數(shù)量級，高于 WS2和 MoS2;（4）由于 GeSe 表面懸掛鍵的飽和作用，理論上 GeSe 在實(shí)際應(yīng)用中具有比黑磷具有更高的環(huán)境穩(wěn)定性。層內(nèi)強(qiáng)共價鍵作用與層間弱范德華(vdw)相互作用導(dǎo)致懸浮鍵與表面態(tài)的飽和，這使得 GeSe 納米片表面具有化學(xué)惰性，具有相當(dāng)高的化學(xué)穩(wěn)定性和環(huán)境穩(wěn)定性。

1.2.2 單層GeSe的制備單層 GeSe 是具有直接帶隙的 p 型半導(dǎo)體，在光電領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[47-49]。基于 GeSe 納米片(NSs)制備的光電探測器的參數(shù)與其他基于二維材料制備的器件的參數(shù)相當(dāng)。由于 GeSe 單晶型的高脆性，直接帶隙的單層 GeSe 制備方法比較難在實(shí)驗上實(shí)現(xiàn)，目前對單層硒化鍺的基本實(shí)驗研究仍然比較缺乏。制備單層 GeSe 主要的挑戰(zhàn)是開發(fā)可控制變薄形成單層的技術(shù)，以滿足未來對于 GeSe二維材料的需要。在最近，少層到單層 GeSe 材料通過激光減薄的方法得到制備[47]。在這項工作中,一個自上的實(shí)驗方法被提出來制造二維 GeSe 單原子層,即在 SiO2/Si 的基底上制備少層 GeSe，而后控制 532nm 連續(xù)波激光器在高真空中減薄，4.8×104W/cm 2的激光功率密度是使材料減薄的閾值，隨著激光功率密度(T-LPD)的逐漸增大，GeSe 原始納米片變得越來越薄。研究人員分別使用原子力顯微鏡(AFM)進(jìn)行厚度測量，掃描電鏡(SEM)進(jìn)行微觀形貌觀察，能譜儀(EDS)進(jìn)行摩爾比分析，拉曼光譜(Raman)進(jìn)行結(jié)構(gòu)估計以及光致發(fā)光(PL)光譜進(jìn)行能帶結(jié)構(gòu)研究以

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本文編號：2831251