二维类石墨烯材料Ti3C2脱/嵌锂离子的机理研究开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述）

当今社会人类生活水平的不断提高，能源短缺、环境污染的问题也日益凸显，在化石燃料日趋减少的情况下，太阳能等新兴的可再生清洁能源不断得到发展。然而由于受到昼夜、季节、天气等自然条件的限制，到达地面的太阳辐照度是间歇性以及不稳定的。为了使太阳能成为连续、稳定的能源，就必须很好地解决蓄能问题。化学电池和超级电容器作为我们熟知的两种储能设备，如何提高其储能的性能自然成为人类面临的一大挑战。

与三维块体结构相比，低维纳米材料的光学、电学等性质都会发生显著改变^[1,2]，同时小尺寸效应能够缩短离子和电子的扩散距离，大比表面积可以加大存储容量，在光电转换元件与储存器件等众多的领域具有重要作用^[3,4]，尽管我们对二维材料充满了兴趣，但是人工合成的二维材料却相对较少^[5]。最近，研究者以max相（化学式为m_{n 1}ax_n（n=1, 2, 3）的三元层状碳/氮化物，其中m为过渡金属元素，a为Ⅲa或第Ⅳa族元素。x为碳或/和氮元素^[6]）作为母体材料，通过刻蚀剥离出二维层状过渡金属碳/氮化物。由于这种化合物的结构类似于膨胀石墨的多层结构，因此被称作mxene。原子组成和结构的多样性使mxene材料构成了一个大家族，极大程度的拓宽了无机二维层状材料的种类^[7]。

max相化合物有着本征的纳米层状结构，m-x之间以极强的共价键和离子键结合，m-a之间以较弱共价键和金属键结合，与石墨层间范得华力的弱键结合相似，m-m之间以金属键结合。最初nagubi等人^[8]通过氢氟酸刻蚀将ti₃alc₂中结合较弱的al元素剥离出来，得到一种新型层状的过渡族金属碳/氮化物材料ti₃c₂，可用方程^[9]表示（见附件）。mxene表现出类似于金属或石墨烯的导电性，同时还具有亲水性。加水产生体积膨胀后具有黏土的可塑性，可轧制成几十微米厚的薄片，或脱水后形成高导电性的固体^[10]，因此mxene又被称为“亲水石墨烯”或者“导电黏土”，成为继石墨烯后又一广受关注的二维材料。

2. 研究的基本内容与方案

2.1 基本内容

理论模拟：利用第一性原理程序包优化几何结构，计算体系的吸附能以及电子结构，探究锂离子迁移路径、迁移势垒等，弄清锂离子在ti₃c₂材料上的迁移机理；

材料制备：以al粉、ti粉和tic为原材料高温烧结得到母体材料max(本次实验以ti₃alc₂为例)，通过hf酸刻蚀得到mxene层状材料；

3. 研究计划与安排

第1－4周：调研、查阅与课题有关的书籍和相关资料，了解二维类石墨烯材料ti₃c₂的结构以及研究进展；熟悉研究所需原料、仪器和设备；熟悉vasp以及了解lammps程序包的使用；并完成文献翻译和开题报告。

第5－8周：按照设计方案，制备ti₃c₂二维材料。同时构筑li /ti₃c₂和li /ti₃c₂-t_x (t=f, oh, o)结构模型，计算锂离子在ti₃c₂以及ti₃c₂-t_x上的吸附能以及复合体系的电子结构。

第9－12周：采用xrd、sem、tem、cv等测试技术对材料的物相、显微结构、电化学性能进行测试。同时计算锂离子在ti₃c₂以及ti₃c₂-t_x上的输运的过程，包括迁移路径、迁移势垒等，获得锂离子在ti₃c₂材料上的迁移规律。

4. 参考文献（12篇以上）

[1] a. splendiani, l. sun, y. b. zhang, t. s. li, j. kim, c.y. chim, g. galli, f. wang, emerging photoluminescence in monolayer mos2[j]. nanolett. 2010, 10, 1271–1275.

[2] a. h. castroneto, f. guinea, n. m. r. peres, k. s. novoselov, a. k. geim, the electronicproperties of grapheme[j]. rev. mod. phys. 2009, 81, 109–162.

[3] z. yu, l. tetard, l. zhai and j. thomas, supercapacitorelectrode materials: nanostructures from 0 to 3 dimensions[j]. energyenviron. sci. 2015, 8, 702-730.