【摘 要】
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寻找具有高功率密度和能量密度的高效电极材料是当代金属离子电池发展的关键挑战之一。Nb2C MXene表面环境复杂,且实验中Nb2C MXene样品大多为片层结构。故其储能性能的好坏很大程度上由表面端基和纳米片层层厚所调控。本文,通过第一性原理的计算,我们证明了二维Nb2C MXene是一种很有前途的金属离子电池阳极材料。取得的进展分以下几个方面:1首先构建了Nb2C和Nb2CT2(T=O、F、OH
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寻找具有高功率密度和能量密度的高效电极材料是当代金属离子电池发展的关键挑战之一。Nb2C MXene表面环境复杂,且实验中Nb2C MXene样品大多为片层结构。故其储能性能的好坏很大程度上由表面端基和纳米片层层厚所调控。本文,通过第一性原理的计算,我们证明了二维Nb2C MXene是一种很有前途的金属离子电池阳极材料。取得的进展分以下几个方面:1首先构建了Nb2C和Nb2CT2(T=O、F、OH)的单层结构,计算了各个构型的形成能的大小,证实端基的引入将促进化学剥离方法下单层结构的形成。之后我们分析各个构型的状态密度与能带。说明端基的存在改变了裸露的Nb2C的本征物理性质,表面端基与Nb2C之间存在电子转移。各种单层结构均为金属性质,均为Nb原子的d轨道在费米能级附近占主导地位,且端基的存在降低了Nb2C单层的电导率。其中Nb2C(OH)2-Bsite与Nb2C(OH)2-Csite结构费米能级附近呈现磁性。2建立了Nb2C和Nb2CT2(T=F、O、OH)单层表面吸附Li原子的构型,计算了不同构型的理论容量,Nb2C单分子层由于金属原子在表面的高电容和低扩散势垒,显示出了作为电极材料的前景。通过对金属原子在T端Nb2C表面的吸附性能的表征,发现表面端基对Nb2C单分子层有相当大的影响。例如,F端基或O端基表面促进了锂原子与表面之间的电荷转移。然而,这些端基明显降低了充放电过程中的电子电导和离子电导性能。此外,Nb2C表面的F和OH官能团可以通过金属离子吸附去除。3构建了Nb2C、Nb2CO2的单层结构,对其表面储Na性能进行了研究。又构建了不同对称群的Nb2C、Nb2CO2的纳米片层结构,其晶格常数与实验样品相似。结果表明,O端基对单层Nb2C和Nb2C纳米片容量性能的影响是不同的,相比于调节表面化学性能,通过增加层间空间来调节纳米片的能量储存性能的方法更为可行。而对称群对纳米片的储能影响并不大。
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