中南大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新類(lèi)項(xiàng)目中期檢查報(bào)告-袁曉東

1、中南大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新類(lèi)項(xiàng)目中期檢查報(bào)告項(xiàng)目類(lèi)型：創(chuàng)新訓(xùn)練 自由探索r 研究性學(xué)習(xí) 米塔爾創(chuàng)新項(xiàng)目級(jí)別： 國(guó)家級(jí)r校級(jí)（請(qǐng)?jiān)谥袆潯啊保╉?xiàng) 目 名 稱(chēng) ： 摻 雜 二 維 層 狀 材 料 作 為 電 極 材 料 設(shè)計(jì)與計(jì)算研究項(xiàng)目編號(hào)：2項(xiàng)目負(fù)責(zé)人：袁曉東負(fù)責(zé)人所在學(xué)院：資源加工與生物工程學(xué)院項(xiàng)目成員：指導(dǎo)教師：資助總額： 1劉時(shí)超 謝元康 張鵬輝 宋曉嵐萬(wàn)元，已撥款額： 1萬(wàn)元執(zhí)行年限： 2017 年 4 月-2018 年 3 月填表日期： 2017 年 11 月 18 日中南大學(xué)2017 年制填寫(xiě)說(shuō)明1.請(qǐng)按表格要求如實(shí)填寫(xiě)，可根據(jù)需要加頁(yè)，要求層次分明 ,內(nèi) 容準(zhǔn)確；項(xiàng)目執(zhí)行過(guò)程中的進(jìn)展或研究

2、成果、計(jì)劃調(diào)整情況等，須在報(bào)告中如實(shí)反映；部分探索性研究?jī)?nèi)容，雖經(jīng)過(guò)努力，也可能沒(méi)獲得 理想結(jié)果或甚至失敗，如有這種情況，也請(qǐng)?jiān)趫?bào)告中實(shí)事求是地反映 出來(lái)，說(shuō)明工作狀況和發(fā)展態(tài)勢(shì)。2. 項(xiàng)目負(fù)責(zé)人所在學(xué)院組織專(zhuān)家初審，學(xué)院審核意見(jiàn)建議為：項(xiàng) 目進(jìn)展良好、項(xiàng)目進(jìn)展順利、項(xiàng)目進(jìn)展遲緩或終止項(xiàng)目。3. 項(xiàng)目負(fù)責(zé)人所在學(xué)院初審項(xiàng)目后，統(tǒng)一將中期檢查報(bào)告一份（階段性成果證明材料附在各自報(bào)告后面）報(bào)送本科生院創(chuàng)新與創(chuàng)業(yè) 教育辦公室。4.學(xué)校組織專(zhuān)家審核項(xiàng)目中期檢查情況，中期檢查結(jié)果為：優(yōu)秀、良好、合格、建議約談和不合格。中期檢查不合格的項(xiàng)目，終止經(jīng)費(fèi) 資助。請(qǐng)按照下列提綱填報(bào)（可根據(jù)需要另加頁(yè)） 一、基本

3、情況項(xiàng)目名稱(chēng)摻雜二維層狀材料作為電極材料設(shè)計(jì)與計(jì)算研究項(xiàng)目編號(hào)2立項(xiàng)時(shí)間2017 年4 月負(fù)責(zé)人手機(jī)號(hào)負(fù)責(zé)人郵箱項(xiàng)目主要序號(hào) 姓名 學(xué)號(hào) 專(zhuān)業(yè)班級(jí) 所在學(xué)院礦物加工工 資源加工與劉 時(shí)1 0301140103 程 試 驗(yàn) 生物工程學(xué) 超1405 班 院項(xiàng)目 本人分工 簽名結(jié) 構(gòu) 計(jì)算研究人員23謝 元康張 鵬輝礦物加工工 資源加工與0301140104 程 試 驗(yàn) 生物工程學(xué)1405 班 院礦物加工工 資源加工與0301140118 程 試 驗(yàn) 生物工程學(xué)1405 班 院結(jié) 構(gòu) 計(jì)算結(jié) 構(gòu) 計(jì)算參與假期讀1.參加宋曉嵐教授主持的稻殼基活性炭制備、改性及其廢水處理應(yīng) 用的關(guān)鍵技術(shù)研究與開(kāi)發(fā)湖南省

4、國(guó)土資源廳科技計(jì)劃項(xiàng)目研究；書(shū)、實(shí)踐調(diào) 2.參加宋曉嵐教授主持的超級(jí)電容器電極材料項(xiàng)目研究。研、自主訓(xùn)練 等情況參加學(xué)科競(jìng) 賽情況（校級(jí) 及以上級(jí)別）參加創(chuàng)新創(chuàng) 業(yè)比賽情況 （校級(jí)及以 上級(jí)別）3.4.1. 謝元康參加美國(guó)數(shù)學(xué)建模競(jìng)賽獲一等獎(jiǎng)2. 袁曉東，張鵬輝，劉時(shí)超參加美國(guó)數(shù)學(xué)建模競(jìng)賽均獲三等獎(jiǎng) 3.4.1.2.參與相關(guān)訓(xùn) 練或?qū)嵺`情況校外：1.2.3.4.校內(nèi)：1. 創(chuàng)客空間：2. 實(shí)驗(yàn)室： 3.科研平臺(tái)： 4.其他：發(fā)表論文/獲 1.劉時(shí)超參與發(fā)表論文預(yù)活化時(shí)間對(duì)稻殼基活性炭結(jié)構(gòu)和電化學(xué)性2222得專(zhuān)利情況能的影響 2.二、項(xiàng)目實(shí)施情況（附已取得的階段性成果證明材料復(fù)印件）內(nèi)容提示：項(xiàng)

5、目研究的目的、意義，研究進(jìn)展情況，取得的階段性成果等（1500 字 左右）。1研究目的和意義隨著環(huán)境問(wèn)題的不斷涌現(xiàn)和能源危機(jī)的不斷逼近，設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)新型清潔儲(chǔ)能材料成為當(dāng)前的迫切需求。鋰離子電池是儲(chǔ)能材料的重要組成。其中，鋰離子電池作為一種新型能量?jī)?chǔ)存裝置,具有高電壓、高容量、自放電小、循環(huán)壽命長(zhǎng)、無(wú)記憶效應(yīng)和環(huán)境污染小的特點(diǎn)。然而，其功率密度不高，充放電速度慢。近年來(lái)，研究開(kāi)發(fā)高電壓、高容量、高功率、長(zhǎng)循環(huán)壽命并能實(shí)現(xiàn)快速充放電的鋰離子電池成為熱點(diǎn)。其中，高性能電極材料研究和開(kāi)發(fā)是鋰離子電池發(fā)展 的關(guān)鍵，故對(duì)鋰離子電池材料進(jìn)行研發(fā)具有重要意義。近年來(lái)，典型二維層狀材料，例如石墨烯、過(guò)渡金屬硫化

6、物，經(jīng)研究表明具有優(yōu)良的物理、 化學(xué)特性，在鋰離子電池、超級(jí)電容器等領(lǐng)域具有優(yōu)良的應(yīng)用前景1。其中，石墨烯是由單層碳原子組成的六方蜂巢狀二維結(jié)構(gòu)。相關(guān)研究表明2，與已商業(yè)使用的理論容量為 372 mahg 的石墨電極相比，基于雙層吸附的石墨烯具有 740 mahg 的最大理論容量。此外，鋰離子也可以存儲(chǔ)在石墨烯的邊緣和缺陷部位，最大飽和的 li 儲(chǔ)存狀態(tài)可以是lic ，以提供高達(dá) 1116mahg 的容量3。因此，具有這些特征的石墨烯材料預(yù)計(jì)具有高鋰儲(chǔ)存 2能力，有潛力作為電極材料應(yīng)用。對(duì)石墨烯進(jìn)行異質(zhì)原子摻雜，可以改變石墨烯中碳原子的電 子結(jié)構(gòu)，并在表面形成拓?fù)淇祝蓸O大地豐富材料的化學(xué)和電

7、化學(xué)活性。mos 作為典型的二維層狀材料，在能量轉(zhuǎn)化和儲(chǔ)存方面也得到了廣泛關(guān)注。研究表明，它 2具有高比容量，是一種十分有前景的電極材料4,5,6。各 mos 層由 s-mo-s 三層原子依次堆疊而成，形成三明治型層狀結(jié)構(gòu)。其中層與層之間通過(guò)范德華力連接，層與層內(nèi)個(gè)原子通過(guò)共價(jià)鍵連接7,8。對(duì)于鋰離子電池而言，這種特殊的層狀結(jié)構(gòu)使得金屬離子可以較易嵌入、脫出分子層間隙并不引起過(guò)大的體積膨脹，使其擁有鋰離子電池材料所需的儲(chǔ)、放鋰離子功能而成為近幾 年的研究熱點(diǎn)9。然而，mos 電極材料容量易衰減，能量密度低，循環(huán)穩(wěn)定性和可逆性都不理想，大大限制了其應(yīng)用。為了解決這些問(wèn)題，相關(guān)研究者提出了通過(guò)拓寬

8、mos 的層間距離，調(diào)整其納米尺度的形態(tài)或使用碳材料作為導(dǎo)電基體來(lái)改善 mos 的電化學(xué)性能的各種策略。其中，摻雜作為提高電極材料的重要途徑，得到了廣泛關(guān)注。各式摻雜策略和摻雜技術(shù)已 被廣泛地用于修飾新的電子材料，許多摻雜策略已被廣泛地用于修飾電極材料。然而，雖然離子摻雜是改善材料電性能的一種有效方法，但存在著摻雜離子選擇的復(fù)雜性和隨機(jī)性等問(wèn)題，對(duì)此尚缺乏系統(tǒng)的理論指導(dǎo)。是否有可能使用摻雜后石墨烯、二硫化鉬制成具有優(yōu)良電性能的材料，如果可以的話，具體應(yīng)該摻雜何種原子？摻雜最佳位置處于何處？摻 雜最佳濃度應(yīng)為多少？因此，對(duì)石墨烯、二硫化鉬進(jìn)行理論計(jì)算研究，以期通過(guò)理論計(jì)算，分析的微觀結(jié)構(gòu)，并 設(shè)

9、計(jì)具有優(yōu)異電性能的摻雜石墨烯、二硫化鉬。2研究進(jìn)展情況該項(xiàng)目在指導(dǎo)老師以及研究生師兄師姐的細(xì)心指導(dǎo)下，按照預(yù)期計(jì)劃順利進(jìn)行，到目前為 止，我們已經(jīng)完成了如下的一些工作：1. 查閱了大量文獻(xiàn)，并初步了解二維層狀材料作為新型電極材料的研究進(jìn)展。2. 在筆記本電腦上安裝 material studio、vesta、origin 等相關(guān)軟件，熟悉軟件操作。運(yùn)行 vasp， 熟悉相關(guān)指令及操作。1. 建立了石墨烯、二硫化鉬晶體結(jié)構(gòu)模型，完成了對(duì)石墨烯、二硫化鉬的幾何結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)的計(jì)算。首先采用第一性原理計(jì)算方法計(jì)算石墨烯、二硫化鉬的晶體結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)。獲得石墨烯、二硫化鉬的晶格常數(shù)、晶胞體積、各原子之

10、間的成鍵信息，包括各原子間的成鍵方 式、各原子之間的鍵長(zhǎng)、成鍵之后的電荷分布及電荷轉(zhuǎn)移等。3.已取得的階段性成果項(xiàng)目負(fù)責(zé)人參與撰寫(xiě)并投稿論文research on grains growth kinetics of al doped nano limn2o4。三、下一步工作計(jì)劃1. 后期工作重心：主要是采用第一性原理計(jì)算方法計(jì)算離子摻雜石墨烯、二硫 化鉬，分析離子摻雜對(duì)石墨烯、二硫化鉬擴(kuò)散通道的影響，尋求最能顯著拓寬擴(kuò)散 通道和改善其電性能的離子。2. 具體實(shí)施計(jì)劃：(a) 選取和建造模型建立石墨烯、二硫化鉬晶體結(jié)構(gòu)模型，為了分析不同離子摻雜濃度對(duì)石墨烯、 二硫化鉬各種性質(zhì)的影響，分別建立大小

11、不同的超胞，摻雜離子分別取代相對(duì)應(yīng)超 胞中的位置。計(jì)算離子摻雜后化合物的能量以及摻雜過(guò)程中的形成能和結(jié)合能，從 而判定摻雜離子在超胞中位于什么位置，并確定不同離子摻雜的難易程度及其摻雜化合物的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。摻雜形成能越低，越容易實(shí)現(xiàn)摻雜，如果形成能為正值，摻 雜過(guò)程就不能實(shí)現(xiàn)；結(jié)合能越低，摻雜結(jié)構(gòu)就越穩(wěn)定。(b) 幾何結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)的計(jì)算選取的計(jì)算軟件為 vasp，對(duì)離子摻雜化合物進(jìn)行優(yōu)化后，得到弛豫后的晶體結(jié) 構(gòu)，分析石墨烯、二硫化鉬經(jīng)過(guò)離子摻雜后，該晶體中各離子之間鍵長(zhǎng)的變化規(guī)律， 尋找合適的候選離子及摻雜量，使得摻雜化合物具有較寬的鋰擴(kuò)散通道。然后，在 此基礎(chǔ)上對(duì)各種候選離子摻雜化合物進(jìn)行

12、能帶與態(tài)密度計(jì)算，設(shè)計(jì)出具有優(yōu)良電子 導(dǎo)電性的摻雜化合物。四、經(jīng)費(fèi)使用情況和經(jīng)費(fèi)安排計(jì)劃經(jīng)費(fèi)合計(jì) 10000 元，其中，學(xué)校配套資助 10000 元，學(xué)院（系、所）配套資助 0 元，其他經(jīng)費(fèi) 0 元。1.經(jīng)費(fèi)支出情況：購(gòu)買(mǎi)書(shū)籍、計(jì)算機(jī)耗材 2000 元增加計(jì)算節(jié)點(diǎn) 4500 元材料計(jì)算分析費(fèi) 1500 元2.下階段經(jīng)費(fèi)安排計(jì)劃：材料計(jì)算分析費(fèi)、論文發(fā)表版面費(fèi) 1000 元資料收集、打印、復(fù)印、裝訂等 1000 元是否存在專(zhuān)項(xiàng)資金使用困難需上交學(xué)校統(tǒng)籌使用的情況：是否 （請(qǐng)?jiān)谥袆?“”）。本項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)鄭重承諾嚴(yán)格遵照學(xué)校相關(guān)財(cái)務(wù)制度報(bào)銷(xiāo)使用項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)。項(xiàng)目負(fù)責(zé)人簽名：年 月 日五、指導(dǎo)教師意見(jiàn)該項(xiàng)目進(jìn)展良好，按照計(jì)劃，已經(jīng)完成了模型的建立，幾何結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)的 計(jì)算等內(nèi)容，并已取得了階段性成果，項(xiàng)目負(fù)責(zé)人參與撰寫(xiě)并投稿了論文research on grains growth kinetics of al doped nano limn o 。項(xiàng)目各成員接下來(lái)的研2 4究重點(diǎn)應(yīng)放在摻雜離子對(duì)石墨烯、二硫化鉬結(jié)構(gòu)及其電性能的影響上。接下來(lái)的工 作主要是采用第一性原理計(jì)算方法計(jì)算離子摻雜石墨烯、二硫化鉬，分析離子摻雜 對(duì)石墨烯、二硫化鉬擴(kuò)散通道的影響，