二维Ti2CO2单层吸附H2S分子的第一性原理研究

采用第一性原理计算方法研究了H2S分子在二维单层Ti2CO2表面上的吸附以及外加应变和电场对其性质的调制,发现该吸附为物理吸附,其吸附强度几乎不受外加拉伸应变的影响,而外加电场使H2S分子的吸附增强.同时,通过单层Ti2CO2表面不同结构(如水分子修饰、官能团掺杂、氧官能团空位)对H2S分子吸附性质影响的研究表明:(1)表面吸附的水分子促进H2S分子的吸附,其吸附强度随H2O分子数增多而增强;(2)官能团OH掺杂浓度低于0.22 ML时,促进H2S分子的吸附,而较高浓度OH掺杂使H2S分子吸附减弱;官能团F掺杂对H2S分子吸附强度几乎没有影响;(3)含氧空位的Ti2CO2表面与H2S分子相互作用较强,吸附能高达-1.06 eV,且电子结构改变明显.

TaTe2/WS2二维异质结的制备及光电性能表征

二维材料异质结构由于其优异的物理化学性质引起了人们的广泛研究,从机械剥离石墨烯以来,制备二维异质结的各种方法层出不穷。在这里,我们介绍了一种无污染,快速,便捷的半湿法PDMS辅助聚乙烯吡咯烷酮(PVP)和聚乙烯醇(PVA)快速转移搭建TaTe2/WS2异质结的方法。光学显微镜、拉曼光谱、光致发光光谱和旋光圆偏泵浦表明单层WS2到TaTe2之间主要为能量转移。更为重要的是基于异质结构的光电探测器在415 nm入射光下的响应率和超高探测率分别为9 A/W,1.73 × 1012 Jones。我们的研究可能为快速制备异质结提供了一种新途径,由于TaTe2/WS2异质结光电探测器的超高探测率,证明其在光电领域的潜力。

基于第一性原理的单层SnSe2二维薄膜的气敏效应

为探索 SnSe2二维薄膜材料的气敏特性,采用分子力场方法系统地研究了 SnSe2二维单层材料对 H2,CO,NH3 及 NO2 等 4 种典型气体分子的最优吸附位置和吸附能力,并基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理方法计算了吸附前后的键长键角变化率、能带结构、态密度及电荷差分密度等参数,分析了吸附前后的电子结构变化与气敏效应之间的内在关联。计算结果发现,吸附 H2和 CO 未能对 SnSe2单层的能带结构和电子结构产生改变,而 NO2和 NH3却在导带底(CBM)和价带顶(VBM)之间分别产生了新的杂质能级,并使费米能级发生位移,从而改变 SnSe2 单层电子结构。电荷差分密度分析进一步表明 SnSe2二维单层未能对 H2和 CO 产生响应,而对 NH3和 NO2却有明显的气敏效应,其中对 NO2有良好的敏感性能和选择性。

二维层状材料Ti_3C_2T_x的制备及其电化学储钠性能

为了探究二维材料Ti_3C_2T_x在制备过程中的影响因素及其电化学性能,采用浓氢氟酸对Ti3AlC2进行液相刻蚀获得Ti_3C_2T_x,通过扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)以及拉曼测试(Raman)表征产物的形貌、结构以及表面状态,并分析其电化学储钠性能.结果表明:适当地延长刻蚀时间,MAX相中A层原子被刻蚀的程度加剧,导致产物的层间距增大,但刻蚀时间过长引起片层发生重新堆叠;刻蚀温度的提升会使材料结构的完整性降低;最佳实验参数为常温条件下进行24 h的氢氟酸刻蚀,合成as-Ti_3C_2T_x,但是as-Ti_3C_2T_x表面测得含有一定量的O类和F类官能团;作为负极应用于钠离子电池中,在20 mA/g时,as-Ti_3C_2T_x的质量比容量可达130 mA·h/g,在100 mA/g下经过500次长循环,容量可以保持在75 mA·h/g,循环性能良好,且接触电阻和电荷转移电阻均较小.

二维多层状Ti_3C_2T_x-MXene/聚吡咯纳米线复合材料的制备及电容性能研究

本文以体相材料MAX(Ti_3AlC_2)为基底,采用氢氟酸刻蚀法得到二维多层状Ti_3C_2T_x-MXene,将一维聚吡咯纳米线(polypyrrole nanowires,PPy-NW)与二维多层状Ti_3C_2T_x-MXene相结合,成功地制备出Ti_3C_2T_x-MXene/PPy-NW复合电极材料.并分别利用扫描电子显微镜(scanning electron microscope,SEM)、X-射线衍射(X-ray diffraction,XRD)、傅里叶变换红外光谱(fourier transform infrared spectroscopy,FTIR)及X射线光电子能谱(X-ray photoelectron spectroscopy,XPS)对其进行了形貌和结构表征.最后通过电化学测试表明,二维多层状Ti_3C_2T_x-MXene/PPy-NW复合电极材料在扫描速率为10 m V·s^(-1)时比电容可达374 F·g^(-1),高于纯PPy-NW(304 F·g^(-1)),当扫描速率增加至200 m V·s^(-1)时,仍可保留原比电容值的72.4%,展现出良好的倍率性能.而且在电流密度为5 A·g^(-1)下经过2000次的循环伏安实验,其电容保持率可达91.6%,具有良好的循环稳定性.总之,二维多层状Ti_3C_2T_x-MXene和一维PPy-NW的复合有效地提升了电极材料的电容性能,在电化学能源储存方面有着巨大的应用前景.

二维单层Ca_(2)N声子谱和热力学性质的第一性原理研究

开发具有优异性能的可充电二次化学电池材料是解决当今社会所面临能源危机问题的有效途径之一。钠离子电池因为具有原材料储量丰富和价格低廉的优势而被视为替代锂离子电池的最优候选材料。最近的研究表明,二维单层电子化合物Ca_(2)N是良好的钠离子电池负极候选材料。然而,当前研究多集中于块体Ca_(2)N的物性,二维单层Ca_(2)N基本物性的研究还比较缺乏。鉴于此,本工作基于第一性原理计算方法详细研究了单层Ca_(2)N的晶格振动特性,确定了其光学振动模式的频率值、简并度和对称性,并通过声子态密度展示了不同类型原子在不同频率范围的贡献大小。最后,还基于声子谱计算了该材料的声子振动自由能、熵和等体积摩尔热容量等基本热力学性质,并与单晶Ca_(2)N进行了对比分析。本工作对于实验研究者设计具有优异性能的类似结构金属离子电池负极材料具有一定参考价值和理论指导意义。

二维层状Ti3C2的制备及其增强的微波吸收性能

为探究制备工艺对二维层状Ti3C2形貌及吸波性能的影响,采用化学液相蚀刻法,改变蚀刻温度和蚀刻时间,利用质量分数40%的HF选择性蚀刻Ti3AlC2,制得5种二维层状Ti3C2,利用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)和矢量网络分析仪等对所制备样品的微观结构和电磁参数进行表征和测试,优选吸波性能优异的Ti3C2制备工艺。结果表明:当蚀刻温度25℃,蚀刻时间24 h时,可得到结晶度较好的Ti3C2;当蚀刻时间12 h,蚀刻温度40℃时,可得到层间距更大的Ti3C2;当蚀刻时间8 h,蚀刻温度25℃时,Ti3C2具有较宽的有效吸波频段(<-10 dB,0.5 GHz);当匹配厚度为3 mm时,在11.4 GHz处Ti3C2反射率损耗达到极值为-27.95 dB。

刻蚀方法对Ti3C2二维材料层状结构的影响

为了进一步提高Ti3C2纳米片的层间距,分别采用HF直接刻蚀法和原位HF刻蚀法,研究了刻蚀方法对MXene(Ti3C2)层状结构的影响。结果表明,采用HF直接刻蚀法时,获得样品的形貌为风琴状多层堆叠的纳米片,当加入20 mL质量分数为30%的HF溶液,于35℃刻蚀24 h,得到层间距达1.046 nm且层状结构完整的多层Ti3C2纳米片。采用更温和的原位HF刻蚀法时,制备出更少片层的Ti3C2纳米片,层间距达到1.54 nm,层间距的增加有利于提高Ti3C2的比表面积利用率,使其在吸波材料、柔性电子元器件和传感器等领域具有潜在的应用前景。

二维Ti2C与Ti3C2表面OH、O、F、Au的吸附活性

较高的比表面积与稳定性使得二维Ti_2C与Ti_3C_2结构在贵金属催化剂载体、锂离子电池、储氢材料等领域具有重要的应用前景.研究Ti_2C、Ti_3C_2的表面吸附活性有助于认识其表面特征.第一性原理计算研究显示:Ti_2C与Ti_3C_2对O、OH、F具有较强的吸附活性.通过比较Ti2_C、Ti_3C_2、Ti(001)、TiC(001)的表面电子结构,我们发现Ti_2C与Ti_3C_2较强的表面吸附活性来自于表面Ti原子未极化的3d轨道.这使得Ti_2C、Ti_3C_2表面通常覆盖有O、F、OH.吸附了O、OH基团的Ti_2C与Ti_3C_2结构(Ti_2CO_(2-2x)(OH)_(2x)、Ti_3C_2O_(2-2x)(OH)_(2x))对Au原子的吸附能随OH比例的增大而增大.

单层1T-CoI_(2)中Kitaev作用的第一性原理研究

基于密度泛函理论的第一性原理计算,本文对单层1T-CoI_(2)的原子、电子结构和磁性进行了理论研究.使用广义布洛赫条件结合自旋螺旋方法计算了单层1T-CoI_(2)自旋螺旋的能量色散关系E(q),计算结果表明单层1T-CoI_(2)的基态呈现螺旋反铁磁,体系中含有键相关的各向异性作用,即Kitaev作用.计算了含有自旋-轨道耦合作用(spin orbital coupling,SOC)和不含有SOC的色散关系,分别将色散关系映射到HeisenbergKitaev模型,成功分解了多近邻海森伯作用参数J、Kitaev作用的K和非对角项Γ.单层1T-CoI_(2)以Heisenberg作用为主导,同时存在着较强的Kitaev相互作用,其中Γ_(1)达到了1.09 meV.可预测Kitaev作用在具有1T结构过渡金属三角格子中具有普遍适用性,表明单层1T-CoI_(2)是Kitaev的备选材料,并且为探索其他二维磁性材料的Kitaev作用奠定了理论基础.

自组装单层膜表面的Bi_2Ti_2O_7薄膜制备与表征

以硝酸铋和钛酸四丁酯为原料,以三氯十八烷基硅烷(OTS)为模板,采用自组装单层膜(self-as-sembled monolayers,SAMs)技术,在玻璃基板上成功制备了Bi2Ti2O7晶态薄膜。借助X射线衍射(XRD)、场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)、X射线能谱(EDS)及原子力显微镜(AFM)等测试手段对Bi2Ti2O7薄膜进行了表征。结果表明,以OTS为模板利用自组装技术,经540℃煅烧2h可成功制得立方相Bi2Ti2O7晶态薄膜,且薄膜表面平整光滑,均匀致密。

Ti_3C_2负载ZnO二维材料的制备及其电性能

以Ti_3C_2、Zn(NO3)2·6H2O、NaOH和SDBS为原料,采用水热法在不同锌碱比的条件下,合成Ti_3C_2负载ZnO二维电极材料.通过XRD和SEM分析发现,在水热15h、100℃、Zn(NO3)2·6H2O∶NaOH(摩尔比)为1∶20、ZnO∶SDBS(摩尔比)为3∶1的条件下,随着Ti_3C_2∶ZnO质量比的不断增加,ZnO的形貌由纳米棒状向纳米片状转变.电性能测试果表明:当Ti_3C_2与ZnO质量比为1∶10时,Ti_3C_2负载ZnO二维材料的比电容和电容及电性能最佳,在1A/g电流密度下可逆比电容达到24.67F/g,电容达到44.80F,且循环3 000次之后保持67.56%.

二维MoS2/MoO2混合层结构的制备与表征

近年来,半导体性的二维过渡金属硫族化合物(2D-TMDCs)由于其在半导体工业上的潜在应用而备受青睐。本文利用化学气相沉积法(CVD),以MoO3粉末和S粉为前驱体,制备出了六边形和四边形的MoS2/MoO2混合层结构。我们首先利用光学显微镜(OM)和扫描电镜(SEM)观测了样品,然后通过X射线光电子谱(XPS)和能量色散谱(EDS)测试对样品的成分进行了初步判定,最后通过Raman光谱确定了我们制备的样品就是MoS2/MoO2混合层结构。同时,我们通过对比实验,对混合层结构的生长机理进行了探究。

二维晶体Ti_3C_2的制备及其对有机染料的吸附性能研究

采用49%的氢氟酸刻蚀Ti_3AlC_2成功制备了层状二维晶体Ti_3C_2,并研究了其作为吸附剂对有机染料罗丹明B(RhB)、亚甲基橙(MO)和亚甲基蓝(MB)的吸附性能。利用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、气体吸附分析仪、紫外可见分光光度计等对样品物相、晶体结构和孔隙结构及比表面积进行了表征,考察了温度和染料浓度对Ti_3C_2吸附效果的影响。结果表明,二维晶体Ti_3C_2对有机染料具有较好的吸附性能,随着温度的升高吸附速率有明显的提高;Ti_3C_2对RhB和MB的吸附效果随着温度的升高均有明显的提高,但对100 mg/L的MO,在25℃时吸附效果最好。45℃时,Ti_3C_2对浓度为50 mg/L的染料的吸附速率RhB>MB>MO。

基于磁圆二向色谱的单层MoS_2激子能量和线宽温度依赖特性

以二硫化钼(MoS_2)为代表的过渡金属硫属化物属于二维层状材料,样品可以薄至单层.单层MoS_2是一种直接带隙半导体,在纳米逻辑器件、高速光电探测、纳米激光等领域具有广阔的应用前景.在实际应用中,温度是影响半导体材料能带结构和性质的主要因素之一.因此研究单层二维材料能带的温度依赖特性对理解其物理机理以及开展器件应用具有重要的意义.目前,在广泛采用的测量单层MoS_2反射谱的研究中,激子峰往往叠加在一个很强的光谱背底上,难以准确分辨激子的峰位和线宽.基于自行搭建的显微磁圆二向色谱系统,研究了单层MoS_2在65—300 K温度范围内的反射谱和磁圆二向色谱,结果表明磁圆二向色谱在研究单层材料激子能量和线宽方面具有明显的优势.通过分析变温的磁圆二向色谱,得到了不同温度下的A,B激子的跃迁能量和线宽.通过对激子能量和线宽的温度依赖关系进行拟合,进一步讨论了声子散射对激子线宽的影响.

不同横向尺寸单层Ti3C2Tx纳米片的制备及其电化学性能研究

近年来,一种新型二维过渡金属碳化物及氮化物(MXene)凭借大的比表面积、良好的亲水性、金属导电性等物理化学性质而广受关注。通过LiF和HCl刻蚀Ti3AlC2的Al层,改变机械剥离强度和方式,以及离心速率和时间,可控制备出平均横向尺寸为625和2562 nm的单层Ti3C2Tx型MXene。借助扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)和X射线衍射仪(XRD)对二维Ti3C2Tx进行形貌、结构和成分的表征。使用电化学工作站表征Ti3C2Tx的电化学性能。结果表明:小片层Ti3C2Tx(625 nm)的质量比电容高达561.9 F/g,远高于文献报道的石墨烯、碳纳米管和二氧化锰等电极材料;Ti3C2Tx电极在循环测试104次后,其比电容仍保持初始96%的容量。

二维纳米片层结构MoS_2和其改性材料的合成及在环境领域的应用

类石墨烯的二维纳米片层状MoS_2作为过渡金属硫化物材料家族的典型代表,由于其各方面独特的性能尤其是超薄的厚度和二维结构,已成为近些年材料的研究热点。独特的三明治结构使其具有良好的物理化学性质,MoS_2及其复合材料在催化、传感器、润滑等方面有广阔的前景。总结了国内外MoS_2的合成及其改性方法、性能和应用。针对社会发展过程中日益严重的环境污染问题,重点介绍利用其吸附和催化性能去除环境中污染物,并对其未来发展进行了展望。

二维Ti3C2TxMXene材料的制备与工艺优化

二维(2D)过渡金属碳/氮化物(MXene)材料是当前最受关注的二维材料之一,其中二维碳化钛(Ti3C2Tx MXene)材料的研究最为广泛。该材料目前主要通过刻蚀三元碳化物或氮化物(MAX相)后进一步插层得到,因此MAX相材料的纯度和制备工艺条件直接决定了Ti3C2Tx MXene材料的物化性质。主要完成了不同Ti3AlC2 MAX相材料的筛选,选择氢氟酸(HF)刻蚀,并优化了不同的插层方法,制备了一系列Ti3C2Tx MXene材料。通过X射线衍射(XRD)、场发射扫描电镜(FESEM)、透射电子显微镜(TEM)、原子力显微镜(AFM)和X射线光电子能谱(XPS)等表征,确定使用原位锂离子(Li^+)插层法可有效获得单层Ti3C2Tx MXene材料。制备的单层Ti3C2Tx MXene材料的表面平整,片径约为150 nm,厚度约为2 nm。同时,创新性地采用涡旋震荡辅助材料分层,极大地缩短了超声时间,提高了单层Ti3C2Tx MXene材料的产率(可达70%),并且可以避免材料氧化,为Ti3C2Tx MXene材料未来应用提供了新方法。

NH_(4)^(+)扩层MoS2的制备及其储锌性能研究

二硫化钼(MoS_(2))作为水系锌离子电池的正极材料,受到锌离子(Zn^(2+))与主体框架之间的强静电相互作用表现出缓慢的反应动力学。并且MoS_(2)的层间距较窄难以嵌入大尺寸水合Zn^(2+),导致MoS_(2)电极呈现出较低的放电比容量。本研究通过一种简单的氨水辅助水热法制备了NH_(4)+扩层的二硫化钼(MoS_(2)-N)电极,氨水分解产生的氨气在促进硫代乙酰胺水解和提供还原性S^(2–)的同时,还会产生大量NH_(4)+作为插层离子,将MoS_(2)的层间距由0.62 nm扩展至0.92 nm,进而大大降低了Zn^(2+)嵌入能垒(改性电极的电荷转移电阻Rct低至35Ω)。当电流密度为0.1 A·g^(–1)时,MoS_(2)-N电极的初始放电比容量相比未扩层的MoS_(2)电极提高了1倍,高达149.9 mAh·g−1。同时在1.0 A·g–1电流密度下放电比容量稳定在110 mAh·g–1左右,循环200圈后库仑效率将近100%。本研究提出的氨水辅助扩层法,丰富了提升MoS_(2)电化学性能的改性策略,为后续的正极材料开发提供了新的思路。

单层与双层WSe2纳米片层的光致发光

采用气相沉积法制备了WSe2二维纳米材料,对其低温光致发光谱进行了研究。结果表明:随着WSe2层数的增加,其光致发光强度单调下降;当WSe2层数从单层增加为双层时,其发光强度急剧下降,表明其能带结构已从直接带隙转变为间接带隙。进一步研究了双层WSe2的变温光致发光谱,发现随着温度的升高,双层WSe2发光峰中A峰峰位的变化基本符合半导体带隙的温度变化规律,而I峰峰位红移与温度基本成线性关系,表明双层WSe2同时存在间接和直接跃迁,且直接跃迁和间接跃迁特性不同。