中南大学大学生创新类项目中期检查报告袁晓东(20210329150928)

1、中南大学大学生创新类项目 中期检查报告 项目类型：创新训练口自由探索 研究性学习口米塔尔创新口 项目级别：国家级校级（请在中划“”） 项目 名称： 掺杂二维层状材料作为 电极材料 设计与计算研究 项目编号： 项目负责人：袁晓东 负责人所在学院： 项目成员：刘时超 谢元康 张鹏辉 指导教师：宋晓岚 资助总额：_J万元，已拨款额：二万元 执行年限：2017 年4月-2018年3月 填表日期： 2017 年月18日 中南大学 2017年制 填写说明 1. 请按表格要求如实填写，可根据需要加页，要求层次分明，内容准确； 项目执行过程中的进展或研究成果、计划调整情况等，须在报告中如实反映； 部分探索性研

2、究内容，虽经过努力，也可能没获得理想结果或甚至失败，如 有这种情况，也请在报告中实事求是地反映出来，说明工作状况和发展态势。 2. 项目负责人所在学院组织专家初审，学院审核意见建议为：项目进展 良好、项目进展顺利、项目进展迟缓或终止项目。 3. 项目负责人所在学院初审项目后，统一将中期检查报告一份（阶段性 成果证明材料附在各自报告后面）报送本科生院创新与创业教育办公室 4. 学校组织专家审核项目中期检查情况，中期检查结果为：优秀、良好、 合格、建议约谈和不合格。中期检查不合格的项目，终止经费资助。 请按照下列提纲填报（可根据需要另加页） 、基本情况 项目名称 掺杂二维层状材料作为电极材料设计与

3、计算研究 项目编号 立项时间 2017年4 月 负责人 手机号 负责人邮箱 项 目 主 要 研 究 人 员 序号 姓名 学号 专业班级 所在学院 项目 分工 本人 签名 1 刘时 超 矿物加工工 程 试验 1405 班 资源加工与 生物工程学 院 结构计 算 2 谢元 康 矿物加工工 程 试验 1405 班 资源加工与 生物工程学 院 结构计 算 3 张鹏 辉 矿物加工工 程 试验 1405 班 资源加工与 生物工程学 院 结构计 算 参与假期读 书、实践调 研、自主训练 等情况 1.参加宋晓岚教授主持的稻壳基活性炭制备、改性及其废水处理应 用的关键技术研究与开发湖南省国土资源厅科技计划项目研

4、究； 2.参加宋晓岚教授主持的超级电容器电极材料项目研究。 3. 4. 参加学科竞 赛情况（校级 及以上级别） 1.谢元康参加美国数学建模竞赛获一等奖 2.袁晓东，张鹏辉，刘时超参加美国数学建模竞赛均获三等奖 3. 4. 参加创新创 业比赛情况 （校级及以 上级别） 1. 2. 参与相关训 校外：校内： 1.1.创客空间： 练或实践情 况 2. 2.实验室：V 3.科研平台：V 3. 4.其他： 4. 发表论文/获 得专利情况 1.刘时超参与发表论文预活化时间对稻壳基活性炭结构和电化学性 能的影响 2. 、项目实施情况（附已取得的阶段性成果证明材料复印件） 内容提示：项目研究的目的、意义，研究

5、进展情况，取得的阶段性成果等（1500字 左右）。 1 研究目的和意义 随着环境问题的不断涌现和能源危机的不断逼近，设计、开发新型清洁储能材料成为当前 的迫切需求。锂离子电池是储能材料的重要组成。其中，锂离子电池作为一种新型能量储存装 置，具有高电压、高容量、自放电小、循环寿命长、无记忆效应和环境污染小的特点。然而，其 功率密度不高，充放电速度慢。近年来，研究开发高电压、高容量、高功率、长循环寿命并能 实现快速充放电的锂离子电池成为热点。其中，高性能电极材料研究和开发是锂离子电池发展 的关键，故对锂离子电池材料进行研发具有重要意义。 1 。 近年来，典型二维层状材料，例如石墨烯、过渡金属硫化物

6、，经研究表明具有优良的物理、 2，与已商业使用 740 mAh/ g的最大理 Li储存状态可以是 化学特性，在锂离子电池、超级电容器等领域具有优良的应用前景 其中，石墨烯是由单层碳原子组成的六方蜂巢状二维结构。相关研究表明 的理论容量为 372 mAh/g的石墨电极相比，基于双层吸附的石墨烯具有 论容量。此外，锂离子也可以存储在石墨烯的边缘和缺陷部位，最大饱和的 LiC2，以提供高达1116mA/g的容量3。因此，具有这些特征的石墨烯材料预计具有高锂储存 能力，有潜力作为电极材料应用。对石墨烯进行异质原子掺杂，可以改变石墨烯中碳原子的电 子结构，并在表面形成拓扑孔，可极大地丰富材料的化学和电化

7、学活性。 MoS作为典型的二维层状材料，在能量转化和储存方面也得到了广泛关注。研究表明，它具 有高比容量，是一种十分有前景的电极材料4,5,6。各MoS层由S-Mo-S三层原子依次堆叠而成， 形成三明治型层状结构。其中层与层之间通过范德华力连接，层与层内个原子通过共价键连接 7,8。对于锂离子电池而言，这种特殊的层状结构使得金属离子可以较易嵌入、脱出分子层间隙 并不引起过大的体积膨胀，使其拥有锂离子电池材料所需的储、放锂离子功能而成为近几年的 研究热点9。然而，MoS电极材料容量易衰减，能量密度低，循环稳定性和可逆性都不理想，大 大限制了其应用。为了解决这些问题，相关研究者提出了通过拓宽MoS

8、的层间距离，调整其纳 米尺度的形态或使用碳材料作为导电基体来改善MoS的电化学性能的各种策略。 其中，掺杂作为提高电极材料的重要途径，得到了广泛关注。各式掺杂策略和掺杂技术已 被广泛地用于修饰新的电子材料，许多掺杂策略已被广泛地用于修饰电极材料。 然而，虽然离子掺杂是改善材料电性能的一种有效方法，但存在着掺杂离子选择的复杂性 和随机性等问题，对此尚缺乏系统的理论指导。是否有可能使用掺杂后石墨烯、二硫化钼制成 具有优良电性能的材料，如果可以的话，具体应该掺杂何种原子？掺杂最佳位置处于何处？掺 杂最佳浓度应为多少？ 因此，对石墨烯、二硫化钼进行理论计算研究，以期通过理论计算，分析的微观结构，并 设

9、计具有优异电性能的掺杂石墨烯、二硫化钼。 2 研究进展情况 该项目在指导老师以及研究生师兄师姐的细心指导下，按照预期计划顺利进行，到目前为 止，我们已经完成了如下的一些工作： 1. 查阅了大量文献，并初步了解二维层状材料作为新型电极材料的研究进展。 2. 在笔记本电脑上安装 Material Studio 、Vesta、Origin等相关软件，熟悉软件操作。运 行VASP熟悉相关指令及操作。 3. 建立了石墨烯、二硫化钼晶体结构模型，完成了对石墨烯、二硫化钼的几何结构和电子 结构的计算。首先采用第一性原理计算方法计算石墨烯、二硫化钼的晶体结构和电子结构。获 得石墨烯、二硫化钼的晶格常数、晶胞体

10、积、各原子之间的成键信息，包括各原子间的成键方 式、各原子之间的键长、成键之后的电荷分布及电荷转移等。 3.已取得的阶段性成果 项目负责人参与撰写并投稿论文Research on Grains Growth Kinetics of Al Doped Nano LiM n2O4。 三、下一步工作计划 1. 后期工作重心：主要是采用第一性原理计算方法计算离子掺杂石墨烯、二硫 化钼，分析离子掺杂对石墨烯、二硫化钼扩散通道的影响，寻求最能显着拓宽扩散 通道和改善其电性能的离子。 2. 具体实施计划： (a)选取和建造模型 建立石墨烯、二硫化钼晶体结构模型，为了分析不同离子掺杂浓度对石墨烯、 二硫化钼各

11、种性质的影响，分别建立大小不同的超胞，掺杂离子分别取代相对应超 胞中的位置。计算离子掺杂后化合物的能量以及掺杂过程中的形成能和结合能，从 而判定掺杂离子在超胞中位于什么位置，并确定不同离子掺杂的难易程度及其掺杂 化合物的结构稳定性。掺杂形成能越低，越容易实现掺杂，如果形成能为正值，掺 杂过程就不能实现；结合能越低，掺杂结构就越稳定。 （b）几何结构和电子结构的计算 选取的计算软件为VASP对离子掺杂化合物进行优化后，得到弛豫后的晶体结 构，分析石墨烯、二硫化钼经过离子掺杂后，该晶体中各离子之间键长的变化规律， 寻找合适的候选离子及掺杂量，使得掺杂化合物具有较宽的锂扩散通道。然后，在 此基础上对

12、各种候选离子掺杂化合物进行能带与态密度计算，设计出具有优良电子 导电性的掺杂化合物。 四、经费使用情况和经费安排计划 经费合计10000元，其中，学校配套资助10000元，学院（系、所）配套资助 0元，其他经费0元。 1. 经费支出情况： 购买书籍、计算机耗材 2000元 增加计算节点4500 元 材料计算分析费1500 元 2. 下阶段经费安排计划： 材料计算分析费、论文发表版面费1000元 资料收集、打印、复印、装订等1000元 是否存在专项资金使用困难需上交学校统筹使用的情况：是否（请在中划 “/ ）。本项目团队郑重承诺严格遵照学校相关财务制度报销使用项目经费。 项目负责人签名： 年 月 日 五、指导教师意见 该项目进展良好，按照计划，已经完成了模型的建立，几何结构和电子结构的 计算等内容，并已取得了阶段性成果，项目负责人参与撰写并投稿了论文 Research on Grai ns Growth Kin etics of Al Doped Na no LiMn2Q。项目各成员接下来的研 究重点应放在掺杂离子对石墨烯、二硫化钼结构及其电性能的影响上。接下来的工 作主要是采用第一性原理计算方法计算离子掺杂石墨烯、二硫化钼，分析离子掺杂 对石墨烯、二硫化钼扩散通道的影响，寻求最能显着拓宽扩散通道和改善其电性能