田原野, 寇春雷, 张 淼, 高丽丽

(北华大学 理学院, 吉林 吉林 132013)

二维碳材料具有独特的结构及优异的物理、 化学特性[1-2]. 其中六角蜂窝状的石墨烯为零带隙半金属, 文献[3]通过微机械剥离方法将其从石墨中分离, 由于其在多领域具有潜在的应用前景, 因此人们开始探索其他具有独特性能的新型二维碳材料[4-5].

目前, 新型二维碳材料的研究成果较多[6-19], 其中由(5+7)环构成的平面二维碳材料M-石墨烯[11-14]具有与超硬单斜相碳体材料M-碳类似的拓扑结构特征[20-22]. M-石墨烯中的碳原子之间形成sp2杂化键, 使其表现为金属性, 研究表明, M-石墨烯低于实验合成石墨炔的能量[14], 由于其在能量上更具有优势, 且具有较好的动力学和热力学稳定性, 因此有可能在实验中合成M-石墨烯, 并作为电池负极材料. 此外, 与锂离子电池相比, 钠离子电池不仅具有锂离子电池的能量密度高、 可实现快速充放电及循环寿命长等优点, 同时钠离子电池还具有资源丰富、 电化学性能稳定、 成本低等优势, 从而使钠离子电池可以取代锂离子电池[23].

本文用第一性原理计算方法研究碱金属钠原子在二维碳材料M-石墨烯上的吸附、 迁移和存储. 计算结果表明, M-石墨烯的7环中心为碱金属吸附的最优结合位点, 钠在M-石墨烯上的迁移势垒低, 存储容量大, 平均开路电压值低. 因此M-石墨烯有可能成为钠离子电池的负极材料.

1 方 法

利用原子尺度材料模拟软件包(VASP)[24], 用密度泛函理论(DFT)对晶体结构进行优化……