西南大學汪敏副教授團隊在二維材料的理論計算領域中取得新進展

2020-10-04 小材科研

近日，西南大學材料與能源學院汪敏副教授課題組在二維材料的理論計算方面取得了新進展。相關論文發表在《Applied Surface Science》、《Energy & Environmental Materials》、《International Journal of Quantum Chemistry》等著名SCI期刊上。

1. 一種新型二維碳材料net-C18的理論研究

預測了一種新型二維類石墨烯的碳同素異形體net-C18，有望作為一種耐高溫柔性鋰離子電池負極材料。相關研究成果（Net-C18: a predicted two-dimensional planar carbon allotrope and potential for an anode in lithium-ion battery）發表在SCI期刊《Energy & Environmental Materials》上，西南大學為該成果的第一和唯一完成單位，碩士生蔡興紅為該論文的第一作者，汪敏副教授為通訊作者。

這種類石墨烯的結構net-C18除了具有六元環，還有五元環和八元環，我們設計了可能的實驗合成路徑，即在石墨烯的六邊形頂部添加偶數對碳原子來重構新的五元和八元環，也拓展了Haeckelite構建類石墨烯結構的方法。該成果還表明，net-C18較石墨烯相是亞穩態的，但它比實驗上已經合成的graphdiyne的能量上更穩定，說明net-C18在實驗上合成的可能性很高。進一步通過對聲子光譜、從頭算分子動力學（AIMD）和彈性常數的研究，證實了它具有動力學、熱力學和機械穩定性。沿x或y軸的面內剛度（312 N / m或297 N / m）相當大。AIMD分析還表明其在1500 K下具有良好熱穩定性。能帶結構證明了它具有金屬性。接著我們進一步預測了net-C18作為鋰離子電池負極材料的相關性能：Li原子在net-C18上的擴散具有較低的能壘（0.32 eV），net-C18具有較低的開路電壓（0.024 V）和較高的理論比容量（403 mAh/g）。因此，net-C18可以作為耐高溫的柔性電極用於電子器件中，並具有作為鋰離子電池負極材料的潛能。

論文連結：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/eem2.12127

2. 新型二維類石墨材料g-C3N5的理論研究

一種新型類石墨烯g-C3N5材料剛剛在實驗上成功合成，但人們對該材料了解依然較少。首先系統地研究了這種二維材料的幾何形狀和電子特性，相關研究成果《The effects of strain and charge doping on the electronic properties of graphitic C3N5》發表在SCI期刊《International Journal of Quantum Chemistry》上，西南大學為該成果的第一和唯一完成單位，碩士生楊強為該成果的第一作者，汪敏副教授為通訊作者。

通過上述的工作發現g-C3N5是一種帶隙為0.53 eV的直接帶隙半導體。並且應變對電子性能有較大影響。比如當施加壓縮雙軸應變時，帶隙可以減小到零，從而導致半導體到金屬的轉變。還發現電荷摻雜對電子性能也具有很大影響。隨著負電荷摻雜的增加，帶隙變窄直到為零，這也表明發生了半導體到金屬的轉變。另外，可以同時施加應變和電荷摻雜共同來調節g-C3N5的電子性質，實現半導體到金屬的轉變，從而擴展了g-C3N5的電子用途。

論文連結：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/qua.26378

3. 氣體小分子在g-C3N5表面吸附的理論研究

接著，進一步研究了氣體小分子（包括CO2、CO、NH3、NO2和NO）在g-C3N5表面的吸附情況。相關研究成果《Adsorption of CO2, CO, NH3, NO2 and NO on g-C3N5 surface by first-principles calculations》發表在SCI期刊《Applied Surface Science》上，西南大學為該成果的第一和唯一完成單位，碩士生蔡興紅為該論文的第一作者，汪敏副教授為通訊作者。

在理論研究氣體小分子（包括CO2、CO、NH3、NO2和NO）在g-C3N5表面的吸附中，發現g-C3N5與NO之間的吸附能低於其他氣體分子。能帶結構表明，與g-C3N5（0.53 eV）相比，NH3、CO、CO2和NO2吸附系統的帶隙分別為0.63、0.58、0.52和0.11 eV。當NO被吸附時，能帶結構表明價帶穿過了費米能級，但由於費米能級附近仍存在小帶隙，表明存在空穴摻雜，所以NO吸附系統具有p型導電性。差分電荷密度圖表明，吸附過程有助於NO失去電子，而g-C3N5則獲得電子。因此，與其它氣體分子相比，NO吸附系統中最低的吸附能和p型導電性表明g-C3N5可提供良好的吸附表面來檢測NO分子。

論文連結：

https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2020.147884

以上研究工作得到中央高校基本業務費、潔淨能源材料與技術重慶市重點實驗室的資助。

來源：西南大學

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