碳-氮基二維非金屬材料的第一性原理研究.pdf

1、近幾年來，由于二維材料在電子、光電子等領域具有新奇的物理性質，引起了眾多物理、化學和材料科學家的廣泛關注。二維非金屬材料擁有無毒、易獲得、對環(huán)境友好等優(yōu)點，將二維非金屬材料進行改性，也是獲得特定功能新型非金屬材料的重要手段。對于實驗者來說，這是一個復雜、需要不斷嘗試的艱巨任務。隨著計算機技術的快速發(fā)展，基于密度泛函理論（density fuctional theory）的第一性原計算的方法也取得了突破性的進展，成為材料科學中理論模擬的重

2、要手段。利用第一性原理計算可以預測材料性質，指導實驗的進行，大大縮短了實驗探究的周期。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，研究其在光催化以及電催化領域的應用。
　　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)，介紹了一些較基礎的量子力學的知識。接下來從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)展與完善過程。緊接著介紹了介紹了交換相關泛函的種類和計算中經常會被用到的有效芯勢方法。最后介紹了計算中用到的DFT相關的軟件包。
　　第二章中，首先從石墨烯的電子結構和應用出發(fā)，介紹幾年來研究比較熱的二維材料，包括過渡金屬硫屬化物、二維硼氮、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展，主要介紹其在光解水方面的應用。最后介紹碳-氮基二維材料在電催化領域的應用，著重講述其在燃料電池

4、方面的研究進展。
　　第三章中，我們主要研究g-C3N4/C2N納米復合體系的電子結構與光學性質。理論研究表明，g-C3N4/C2N納米復合材料具有TypeⅡ的能帶結構，能使體系的光生電子和空穴獲得有效分離;此外，g-C3N4/C2N納米復合結構與g-C3N4單層相比，可見光響應范圍有明顯拓寬，光響應強度大大增強。顯然，這些理論研究為g-C3N4光催化性質改善提出了新路徑，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，先簡略介紹含過渡金屬的碳氮蒸催化劑，在實驗上表現(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(ORR)的熱力學過程。這一過程的研究顯示了C2N嵌入過渡金屬原子后，結構穩(wěn)定，并對O2的吸附有了很大的改善，其ORR反應的每一步都是放熱過程。這些理論研究表明Me@C2N在ORR反應表現(xiàn)出巨大的潛力，有益于將來設計和開發(fā)新