ElectrochimActa:DFT计算3d过渡金属掺杂电子结构+量子电容影响

这篇具有很好参考价值的文章主要介绍了ElectrochimActa:DFT计算3d过渡金属掺杂电子结构+量子电容影响。希望对大家有所帮助。如果存在错误或未考虑完全的地方,请大家不吝赐教,您也可以点击"举报违法"按钮提交疑问。

ElectrochimActa:DFT计算3d过渡金属掺杂电子结构+量子电容影响,机器学习,第一性原理,理论计算,材料工程

在碳中和和碳达峰的背景下,超级电容器作为新型绿色储能设备之一,其发展受到了越来越多的关注,但是其低能量密度限制了超级电容器的广泛应用。有鉴于此,河北工业大学杨建成、沈伯雄等人采用DFT方法研究了3d过渡金属掺杂对碳纳米管电子结构和量子电容的影响。


模型与计算方法

ElectrochimActa:DFT计算3d过渡金属掺杂电子结构+量子电容影响,机器学习,第一性原理,理论计算,材料工程

图1. 改性碳纳米管的结构和局部结构


图1 为具有金属特性的(6,6)单壁碳纳米管的模型结构,通过过渡金属代替碳原子进行掺杂改性,以探索碳纳米管的电子结构和量子电容的微观机制,改性碳纳米管的局部结构示意图如图1右侧所示。所有密度泛函理论计算均基于DMol3模块,并选择了广义梯度近似(GGA)的Perdew-Burke-Ernzerh(PBE)泛函。

采用了双数值DNP基组,轨道截断值为5.0 Å,并且k点设置为1ⅹ1.ⅹ6,以及采用相对论效应的DFT半核赝势(DSSP),其中所有结构计算都是自旋不受限制的。结构驰豫的收敛标准如下:能量为1.0 × 10−5 Hartree,力为2.0 × 10−4 Hartree/nm,位移为5.0 × 10−4 nm,SCF为1.0 × 10−6 Hartree。当相邻纳米管之间的距离大于20.00Å时,相互作用可以忽略不计。


结果与讨论

ElectrochimActa:DFT计算3d过渡金属掺杂电子结构+量子电容影响,机器学习,第一性原理,理论计算,材料工程

图2. X-CNTs的形变电荷密度

ElectrochimActa:DFT计算3d过渡金属掺杂电子结构+量子电容影响,机器学习,第一性原理,理论计算,材料工程

图3. X-CNTs费米能级位置

X-CNT结构的电荷密度差异如图2所示,掺杂原子附近的电子耗尽,即掺杂原子X带正电荷。相邻碳原子附近的电子被累积,并且碳原子带负电,电子转移主要发生在掺杂原子X和相邻碳原子之间。从图3可以明显看出,Sc(Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni)掺杂的碳纳米管的费米能级向导带移动,而Cu和Zn掺杂的碳纳米管的费米能级则向价带移动。而费米能级的移动归因于材料相对于本征碳纳米管的功函数的增加或减少。

ElectrochimActa:DFT计算3d过渡金属掺杂电子结构+量子电容影响,机器学习,第一性原理,理论计算,材料工程

图4. CNTs和X-CNTs的能带结构

ElectrochimActa:DFT计算3d过渡金属掺杂电子结构+量子电容影响,机器学习,第一性原理,理论计算,材料工程

图5. X-CNTs的态密度

CNT和X-CNT的能带如图4所示,结果表明,CNT和Sc(Ti、Fe、Ni、Cu、Zn)掺杂的碳纳米管的自旋向上和自旋向下能带重叠。这表明CNT和Sc(Ti,Fe,Ni,Cu,Zn)掺杂的碳纳米管的上自旋电子磁矩和下自旋电子磁矩彼此抵消,并且在宏观水平上不显示磁性。V(Cr,Mn,Co)掺杂的碳纳米管的自旋向上和自旋向下能带没有重叠,上自旋电子磁矩和下自旋电子磁矩不能抵消,在宏观尺度上显示出磁性。

为了研究V(Cr,Mn,Co)掺杂碳纳米管中磁矩产生的原因,图5中分析了自旋向上和自旋向下的总和部分态密度,发现总态密度中自旋向上和自旋向下的不对称性与掺杂原子V(Cr,Mn,Co)的3d轨道中部分态密度中的自旋向上不对称性和自旋向下不对称性的位置高度一致(如图5中的绿色阴影所示)。这表明,V(Cr,Mn,Co)的掺杂打破了碳纳米管中自旋向上和自旋向下能带的对称性,导致V(Cr、Mn,Co)掺杂的碳纳米管在宏观尺度上显示出磁性。

ElectrochimActa:DFT计算3d过渡金属掺杂电子结构+量子电容影响,机器学习,第一性原理,理论计算,材料工程

图6. X-CNTs的分波态密度

CNT和X-CNT的分波态密度如图6所示,X掺杂碳纳米管的费米能级附近的态密度都大于本征CNT。表明X原子的掺杂有利于提高碳纳米管费米能级附近的态密度。通过3d过渡金属掺杂,可以在费米能级附近破坏碳纳米管的两个简并态,并且能带都有向准局域态转变的趋势,使其中一些更接近费米能级。

除了Sc-CNT结构,所有其他元素掺杂的碳纳米管都在费米能级附近产生了新的能带。V(Cr,Mn,Co)掺杂的碳纳米管显示出费米能级附近能带的自旋极化,使部分能带更接近费米能级。简并态破裂、能带的准局域态变化、新能带的产生以及能带的自旋极化都可以改变费米能级附近的态密度分布,从而改变量子电容。

ElectrochimActa:DFT计算3d过渡金属掺杂电子结构+量子电容影响,机器学习,第一性原理,理论计算,材料工程

图7. CNTs和X-CNTs的量子电容/表面电荷密度与电势的关系

CNT和X-CNT模型在水稳定性范围内的量子电容/表面电荷密度与电势的关系如图7所示。元素掺杂改变了费米能级附近本征碳纳米管的态密度分布,从而改变了量子电容。本征CNT的量子电容的最大值为21.32µF/cm2,显著小于掺杂元素的碳纳米管的量子电容。

所有这些掺杂系统的量子电容具有高度不规则的分布,在零电位点附近具有显著的局部增强。Ti-CNT、V-CNT、Mn-CNT和Co-CNT结构在零电位附近的CQ最大值分别为41.36µF/cm2、33.54µF/cm2,36.94µF/cm2和31.40µF/cm2。

可以观察到,在正电势和负电势下,它们的CQ值没有显著差异,表现出准对称性。Sc-CNT、Cr-CNT、Fe-CNT、Ni-CNT、Cu-CNT和Zn-CNT结构的CQ值分别在-0.6eV、-0.6eV、-0.35eV、0.29eV、0.47eV和-0.11eV处达到最大值,最大值分别为52.58µF/cm2、43.21µF/cm2、55.91µF/cm2,59.74µF/cm2,52.73µF/cm2和50.87µF/cm2。

在正电位和负电位下,可以观察到它们的CQ值存在显著差异,具有不对称性。Sc-CNT、Fe-CNT、Cu-CNT和Zn-CNT结构的CQ值在负电势下表现出高的量子电容,并且适合用作不对称双层超级电容器中的阳极材料。Ni-CNT结构的CQ值在正电势下表现出高的量子电容,并且适合用作不对称双层超级电容器的阴极材料。

从图7(b)可以清楚地看出,X-CNT比本征CNT在费米能级附近存储更多的电荷。Fe(Cu,Zn)掺杂的碳纳米管在负电位下显示出显著增强的电荷积累。在正电势下,Ni(Cu)掺杂的碳纳米管中的电荷积累显著增强。然而,大多数电极材料以不对称的特性存储电荷。因此,不同的掺杂类型可能适用于不同类型的超级电容器。


结论与展望

元素掺杂导致了费米能级附近两个简并态的破裂、能带中的准局域态变化以及新能带的产生。V(Cr,Mn,Co)的掺杂导致能带中的自旋极化。能带的变化影响费米能级附近的态密度,有效地增加了碳纳米管电极的量子电容和表面电荷密度。

掺杂镍的碳纳米管的量子电容最大,为59.74µF/cm2。在水稳定性范围内,Ti(V,Gr,Mn,Co)-CNT适合用作对称双层超级电容器中的电极材料。Sc(Fe,Cu,Zn)-CNT适合用作不对称双层超级电容器的阳极材料。Ni-CNT适合用作不对称双层超级电容器的阴极材料。本研究验证了3d过渡金属掺杂提高碳纳米管电极量子电容的可行性。


文献信息

Yang J, Yang M, Liu X, et al. Electronic structures and quantum capacitance of single-walled carbon nanotubes doped by 3d transition-metals: A first principles study[J]. Electrochimica Acta, 2022: 141666.
文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-763108.html

到了这里,关于ElectrochimActa:DFT计算3d过渡金属掺杂电子结构+量子电容影响的文章就介绍完了。如果您还想了解更多内容,请在右上角搜索TOY模板网以前的文章或继续浏览下面的相关文章,希望大家以后多多支持TOY模板网!

本文来自互联网用户投稿,该文观点仅代表作者本人,不代表本站立场。本站仅提供信息存储空间服务,不拥有所有权,不承担相关法律责任。如若转载,请注明出处: 如若内容造成侵权/违法违规/事实不符,请点击违法举报进行投诉反馈,一经查实,立即删除!

领支付宝红包 赞助服务器费用

相关文章

  • 金属压铸件自动化3D全尺寸测量设备自动外观检测三维检测-CASAIM

    铸造作为现代装备制造工业的基础共性技术之一,铸件产品既是工业制造产品,也是大型机械的重要组成部分,被广泛运用在航空航天、工业船舶、机械电子和交通运输等行业。 铸件形状复杂,一般的三坐标或者卡尺圆规等工具难以获取多特征和曲面复杂的铸件整体数据,而

    2024年02月07日
    浏览(41)
  • CSS3过渡与动画,2D与3D

    该属性用于定义元素边框的背景图像 语法: border-image:none | url(img) imagesection [/imagewidth] imaghandling 其中imagesection定义用于边框不同部分的图像部分。imagesection值可以由图像上的4条分隔线组成,每条线以像素或者百分比为度量。 imaghandling可以定义的三个,用于控制分隔线

    2024年02月03日
    浏览(44)
  • 【JAVA】CSS3:3D、过渡、动画、布局、伸缩盒

    透视点位置:观察者位置 在2D位移基础上,可以让元素沿z轴移动 cubic-bezier(.17,.67,.83,.67) ✿ cubic-bezier.com 贝塞尔曲线: cubic-bezier(.17,.67,.83,.67) ✿ cubic-bezier.com 效果:鼠标悬浮,图片旋转,字体出现,背景模糊 鼠标悬浮前:  鼠标悬浮后: 帧:一个视频包含多个画面,每一个

    2024年03月22日
    浏览(39)
  • 【Web2D/3D】CSS3的2D/3D转换、过渡、动画(第一篇)

    1. 前言         本篇开始介绍Web2D和3D相关基础知识,会从CSS3的2D/3D转换、过渡、动画,讲到Canvas 2D图形绘制,再到SVG,最后到WebGL。         坐标系:左上点是坐标原点(0,0),x轴正方向向右,y轴正方向向下,z轴正方向向外(垂直屏幕向外)。 2. 2D转换         CSS3的2D/3D旋

    2024年02月04日
    浏览(50)
  • CSS3过渡、过渡练习——进度条案例、2D转换(translate、rotate、scale、转换中心点transform-origin)、动画、3D、案例(两面翻转的盒子、3D导航栏、旋转木马案例)

    目录 一、CSS3过渡(transition)(重点) 二、CSS3过渡练习——进度条案例 三、CSS3 2D转换(translate、rotate、scale、转换中心点transform-origin) 四、CSS3 动画 五、CSS3动画常见属性 五、热点图案例(动画) 六、速度曲线之steps步长(案例——奔跑的熊大) 七、CSS3 3D转换(3D 位移:t

    2024年02月03日
    浏览(47)
  • Unity 3D开发--SceneManager场景管理(异步使用同一个过渡场景)

    在U3D开发过程中经常使用到多场景的切换,有同步SceneManager.LoadScene()和异步SceneManager.LoadSceneAsync()两种方法,同步的话一般就会卡住界面直到加载完成,使用异步的话一般都做一个加载的进度条,每次切换的时候都需要一个加载动画,所以需要建一个专门的过渡加载场景来进

    2024年02月14日
    浏览(42)
  • 基于计算机视觉的工业金属表面缺陷检测综述

    基于计算机视觉的工业金属表面缺陷检测综述 (aas.net.cn) 计算机视觉检测技术(Automated optical inspection, AOI)[2]是一种以计算机视觉为基础, 通过自动光学系统获取检测目标图像, 运用算法进行分析决策, 判断目标是否符合检测规范的非接触式检测方法. 表面缺陷检测系统的基本原理

    2024年04月15日
    浏览(38)
  • 【CSS笔记】CSS动画效果(2d、3d)之渐变色、过渡、变换、平移、缩放、旋转、倾斜、关键帧动画

    这篇文章,主要介绍CSS动画效果(2d、3d)之渐变色、过渡、变换、平移、缩放、旋转、倾斜、关键帧动画。 目录 一、2d动画 1.1、渐变色 (1)线性渐变色 (2)径向渐变色

    2024年02月02日
    浏览(91)
  • 基于STM32F407实现离散傅里叶变换(FFT、DFT),计算指定频率的幅值

    前言: 本人的课题是关于EIT采集系统设计,所谓的EIT,简单的说就是往人体注入特定频率的电流信号,通过采集反馈的电压信号,进而使用成像算法重构人体内部的阻抗分布。由于采集到的电压包含其它频率的热噪声,为了只保留注入频率的信号成分,需要对采集到的电压信

    2024年02月16日
    浏览(57)
  • 【云原生技术】云计算与网络:裸金属服务器(Bare Metal Server,简称BMS)简介

    【云原生技术】云计算与网络:裸金属服务器(Bare Metal Server,简称BMS)简介 裸金属服务器(Bare Metal Server,简称BMS)是云计算领域的一种服务,提供给客户独占使用的物理服务器。与传统的虚拟化云服务器不同,裸金属服务器为用户提供了对整个物理服务器的直接访问,无

    2024年01月18日
    浏览(43)

觉得文章有用就打赏一下文章作者

支付宝扫一扫打赏

博客赞助

微信扫一扫打赏

请作者喝杯咖啡吧~博客赞助

支付宝扫一扫领取红包,优惠每天领

二维码1

领取红包

二维码2

领红包