缺陷石墨烯在氣敏傳感器和鋰離子電池中的應(yīng)用.pdf

1、隨著現(xiàn)代社會(huì)便攜式電子器件的迅速發(fā)展和汽車動(dòng)力源電池化研究與開發(fā)的進(jìn)一步深入，高能量密度、長(zhǎng)壽命、低成本和有利于環(huán)保要求的新型二次能源正在世界范圍受到了廣泛的關(guān)注。當(dāng)前，已經(jīng)有大量關(guān)于鋰離子電池負(fù)極材料的實(shí)驗(yàn)研究，但是理論研究相對(duì)較為缺乏。因此，本文中通過理論計(jì)算分析了缺陷石墨烯的嵌鋰機(jī)理，并通過建立計(jì)算模型來設(shè)計(jì)新型電極材料，以幫助實(shí)驗(yàn)制備工作，是非常有意義的研究方向。
　　 一氧化碳是無色無味的有毒氣體，易于與人體中的血紅蛋

2、白結(jié)合，進(jìn)而阻礙血紅蛋白與氧氣的結(jié)合，從而使人體出現(xiàn)缺氧現(xiàn)象，造成中毒事故;此外，一氧化碳在相對(duì)狹小的環(huán)境將會(huì)引起劇烈地爆炸，屬于非常危險(xiǎn)的可燃?xì)怏w。而另一方面，一氧化碳在實(shí)驗(yàn)室、工業(yè)生產(chǎn)有廣泛的需求，在人們的日常生活中也頻繁地出現(xiàn)。因此，快速、精確地檢測(cè)空氣環(huán)境中的一氧化碳?xì)怏w可以保障人們的生命安全并具有現(xiàn)實(shí)的經(jīng)濟(jì)利益。所以，研究者們一直在研發(fā)更可靠更精準(zhǔn)的一氧化碳?xì)饷魝鞲衅鳌?br>　　 近年來，第一性原理計(jì)算已經(jīng)成為研究微觀體系

3、的一種重要手段。相比于半經(jīng)驗(yàn)方法，第一性原理方法的計(jì)算結(jié)果更接近真實(shí)的實(shí)際情況。第一性原理是進(jìn)行真實(shí)實(shí)驗(yàn)的補(bǔ)充，能讓我們以更快的速度、更低的成本，預(yù)測(cè)材料的相關(guān)性能，并為新材料的設(shè)計(jì)開發(fā)提供幫助。近些年來，基于密度泛函理論的第一性原理計(jì)算，在很多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，尤其在材料設(shè)計(jì)、藥物合成等領(lǐng)域，第一性原理計(jì)算已經(jīng)成為研究者們不可或缺的工具。
　　 針對(duì)目前石墨烯材料在電化學(xué)傳感和鋰離子電池領(lǐng)域中應(yīng)用所存在的問題，本論文通過采用

4、元素?fù)诫s、表面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的途徑對(duì)石墨烯材料進(jìn)行改性和優(yōu)化，著重研究了相應(yīng)的電化學(xué)傳感和鋰電池性能，并對(duì)其反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行了一定程度上的探索，為實(shí)現(xiàn)如何改善和控制石墨烯材料在電化學(xué)傳感器和鋰離子電池領(lǐng)域的應(yīng)用提供了重要的理論和實(shí)際參考價(jià)值。本課題主要開展了以下幾個(gè)方面的研究工作:
　　 1.建立了結(jié)構(gòu)完整、無任何外來元素污染的完美石墨烯模型，并使用第一性原理計(jì)算研究了其電學(xué)、磁學(xué)性質(zhì)。以此模型為基礎(chǔ)，在石墨烯材料表面制造結(jié)構(gòu)性缺陷，研究

5、了缺陷對(duì)材料電磁性質(zhì)的影響。而且將氮元素分別摻雜在完整的和含有缺陷的石墨烯當(dāng)中。結(jié)果表明，與結(jié)構(gòu)完整氮摻雜體系相比，氮摻雜的缺陷石墨烯材料有著更強(qiáng)的化學(xué)活性和特殊的電子特性。硼元素與氮元素有著相似的原子半徑，其摻雜方式也與氮摻雜相似，所以我們也考察了硼摻雜石墨烯電學(xué)和磁學(xué)性質(zhì)。通過研究不同摻雜濃度下石墨烯的穩(wěn)定性，預(yù)測(cè)了硼元素的最佳摻雜濃度。
　　 2.通過研究摻雜、缺陷石墨烯物性，發(fā)現(xiàn)缺陷的存在將大大提高材料表面的化學(xué)活性，增

6、強(qiáng)了與外部的原子或分子之間的相互作用。另外，氮修飾的缺陷石墨烯呈電負(fù)性，比單純的缺陷石墨烯更容易獲得電子。因此，研究了純凈石墨烯和各種氮摻雜石墨烯對(duì)鋰原子的吸附性能，及其在電池中的應(yīng)用。結(jié)果表明，與純凈石墨烯相比，缺陷的引入的確增強(qiáng)了鋰與石墨烯之間的相互作用。通過考察氮元素?fù)诫s的缺陷石墨烯體系，發(fā)現(xiàn)鋰離子電池的儲(chǔ)鋰能力和循環(huán)性能進(jìn)一步提高。結(jié)果表明:吡啶型石墨烯的可逆容量可以達(dá)到1262 mAh/g。
　　 3.采用第一性原理計(jì)

7、算，研究了缺陷和氮摻雜石墨烯對(duì)CO和NO氣體的傳感性能。結(jié)果顯示，單純的缺陷石墨烯不能選擇性檢測(cè)空氣中的CO和NO氣體，因?yàn)槭?duì)O2分子的強(qiáng)相互作用將干擾它對(duì)CO的檢測(cè)。當(dāng)?shù)負(fù)诫s入缺陷石墨烯后，材料對(duì)CO依然保持有很強(qiáng)的相互作用，CO的C端在缺陷中心處與化學(xué)吸附在石墨烯表面，并伴隨有較高的電荷轉(zhuǎn)移，可為傳感器提供電信號(hào)。而O2分子因?yàn)榕c摻氮石墨烯有著相向的電負(fù)性，其結(jié)合能較弱，吸附所伴隨的電荷轉(zhuǎn)移也比較小。利用這種現(xiàn)象，傳感器就