超電容儲(chǔ)能電極材料的密度泛函理論研究*

徐強(qiáng) 司雪 佘維漢 楊光敏?

1) (長(zhǎng)春工程學(xué)院勘察與測(cè)繪工程學(xué)院, 長(zhǎng)春 130021)

2) (長(zhǎng)春師范大學(xué)物理學(xué)院, 長(zhǎng)春 130032)

由于量子限域效應(yīng)和態(tài)密度的限制, 石墨烯、硅烯等二維材料的量子電容在費(fèi)米能級(jí)附近趨近于零.基于密度泛函理論的第一性原理研究發(fā)現(xiàn), 摻雜和吸附使石墨烯等二維電極材料的電子結(jié)構(gòu)得以有效的調(diào)制,它促進(jìn)狄拉克點(diǎn)附近局域電子態(tài)的形成和/或費(fèi)米能級(jí)的移動(dòng), 從而使量子電容得到了提高.比較Ti (Au, Ag,Cu, Al)和3-B (N, P, S)摻雜單空位石墨烯(硅烯, 鍺烯)的量子電容, 發(fā)現(xiàn)3-N摻雜單空位石墨烯和Ti原子吸附單空位硅烯、鍺烯的量子電容明顯得到了提升, 量子電容分別為118.42 μF/cm2, 79.84 μF/cm2和76.54 μF/cm2.另外還研究了3-N摻雜三種烯類(lèi)的濃度效應(yīng), 隨摻雜濃度的增加, 量子電容呈增加趨勢(shì).通過(guò)研究各摻雜體系的熱力學(xué)穩(wěn)定性問(wèn)題, 發(fā)現(xiàn)Ti是最穩(wěn)定的吸附原子, 因?yàn)門(mén)i和C原子之間可以形成強(qiáng)鍵.在B, N, P, S摻雜單空位硅烯和鍺烯中, S是最穩(wěn)定的摻雜原子, 而對(duì)于石墨烯, N摻雜的形成能最低, 量子電容最高.上述二維電極材料的理論模擬計(jì)算為超級(jí)電容器和場(chǎng)效應(yīng)晶體管中的實(shí)際應(yīng)用做出了探索性的工作.

1 引 言

隨著全球能源危機(jī)和環(huán)境污染的加劇、便攜式電子設(shè)備的流行和新型動(dòng)力交通工具的高速發(fā)展,人類(lèi)社會(huì)迫切需要開(kāi)發(fā)潔凈、可持續(xù)和可再生能源.在這一時(shí)代背景下, 研制了超級(jí)電容器–一種新型的綠色環(huán)保儲(chǔ)能裝置[1].高功率、長(zhǎng)壽命、高可靠性皆為雙電層超級(jí)電容器所具……