汪敏副教授课题组在二维材料的理论计算领域中取得新进展

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近日，材料与能源学院汪敏副教授课题组在二维材料的理论计算方面取得了新进展。相关论文发表在《Applied Surface Science》、《Energy & Environmental Materials》、《International Journal of Quantum Chemistry》等著名SCI期刊上。

1. 一种新型二维碳材料net-C18的理论研究

        预测了一种新型二维类石墨烯的碳同素异形体net-C18，有望作为一种耐高温柔性锂离子电池负极材料。相关研究成果（Net-C18: a predicted two-dimensional planar carbon allotrope and potential for an anode in lithium-ion battery）发表在SCI期刊《Energy & Environmental Materials》上，西南大学为该成果的第一和唯一完成单位，硕士生蔡兴红为该论文的第一作者，汪敏副教授为通讯作者。

        这种类石墨烯的结构net-C18除了具有六元环，还有五元环和八元环，我们设计了可能的实验合成路径，即在石墨烯的六边形顶部添加偶数对碳原子来重构新的五元和八元环，也拓展了Haeckelite构建类石墨烯结构的方法。该成果还表明，net-C18较石墨烯相是亚稳态的，但它比实验上已经合成的graphdiyne的能量上更稳定，说明net-C18在实验上合成的可能性很高。进一步通过对声子光谱、从头算分子动力学（AIMD）和弹性常数的研究，证实了它具有动力学、热力学和机械稳定性。沿x或y轴的面内刚度（312 N / m或297 N / m）相当大。AIMD分析还表明其在1500 K下具有良好热稳定性。能带结构证明了它具有金属性。接着我们进一步预测了net-C18作为锂离子电池负极材料的相关性能：Li原子在net-C18上的扩散具有较低的能垒（0.32 eV），net-C18具有较低的开路电压（0.024 V）和较高的理论比容量（403 mAh/g）。因此，net-C18可以作为耐高温的柔性电极用于电子器件中，并具有作为锂离子电池负极材料的潜能。
        论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/eem2.12127

2. 新型二维类石墨材料g-C3N5的理论研究

       一种新型类石墨烯g-C3N5材料刚刚在实验上成功合成，但人们对该材料了解依然较少。首先系统地研究了这种二维材料的几何形状和电子特性，相关研究成果《The effects of strain and charge doping on the electronic properties of graphitic C3N5》发表在SCI期刊《International Journal of Quantum Chemistry》上，西南大学为该成果的第一和唯一完成单位，硕士生杨强为该成果的第一作者，汪敏副教授为通讯作者。
通过上述的工作发现g-C3N5是一种带隙为0.53 eV的直接带隙半导体。并且应变对电子性能有较大影响。比如当施加压缩双轴应变时，带隙可以减小到零，从而导致半导体到金属的转变。还发现电荷掺杂对电子性能也具有很大影响。随着负电荷掺杂的增加，带隙变窄直到为零，这也表明发生了半导体到金属的转变。另外，可以同时施加应变和电荷掺杂共同来调节g-C3N5的电子性质，实现半导体到金属的转变，从而扩展了g-C3N5的电子用途。

         论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/qua.26378

3. 气体小分子在g-C3N5表面吸附的理论研究

        接着，进一步研究了气体小分子（包括CO2、CO、NH3、NO2和NO）在g-C3N5表面的吸附情况。相关研究成果《Adsorption of CO2, CO, NH3, NO2 and NO on g-C3N5 surface by first-principles calculations》发表在SCI期刊《Applied Surface Science》上，西南大学为该成果的第一和唯一完成单位，硕士生蔡兴红为该论文的第一作者，汪敏副教授为通讯作者。

       在理论研究气体小分子（包括CO2、CO、NH3、NO2和NO）在g-C3N5表面的吸附中，发现g-C3N5与NO之间的吸附能低于其他气体分子。能带结构表明，与g-C3N5（0.53 eV）相比，NH3、CO、CO2和NO2吸附系统的带隙分别为0.63、0.58、0.52和0.11 eV。当NO被吸附时，能带结构表明价带穿过了费米能级，但由于费米能级附近仍存在小带隙，表明存在空穴掺杂，所以NO吸附系统具有p型导电性。差分电荷密度图表明，吸附过程有助于NO失去电子，而g-C3N5则获得电子。因此，与其它气体分子相比，NO吸附系统中最低的吸附能和p型导电性表明g-C3N5可提供良好的吸附表面来检测NO分子。
      论文链接：https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2020.147884
      以上研究工作得到中央高校基本业务费、洁净能源材料与技术重庆市重点实验室的资助。
      文章来源：西南大学
       汪敏（Min Wang），西南大学副教授，硕士研究生导师，中国民主同盟盟员。主要从事理论和实验相结合的方式深入研究纳米材料和相关生物材料的性质与应用。另外进行了物理、化学、材料、生物等多学科交叉研究。也在纳米材料和生物材料构成的符合结构材料以及这些材料在洁净能源体系和生物体系开展了大量的工作，获得了新颖的结果。