中南大学大学生创新类综合项目中期调查报告袁晓东.docx

中南大学大学生创新类项目中期检验汇报项目类型：创新训练 自由探索R研究性学习米塔尔创新 项目等级：国家级R 校级（请在中划“”）项目名称：掺杂二维层状材料作为电极材料 设计和计算研究 项目编号： 10533310 项目责任人： 袁晓东 责任人所在学院：资源加工和生物工程学院 项目组员： 刘时超 谢元康 张鹏辉 指导老师： 宋晓岚 资助总额： 1 万元，已拨款额： 1 万元实施年限： 4月-3月 填表日期： 11月18日 中南大学制填写说明1.请按表格要求如实填写，可依据需要加页，要求层次分明,内容正确；项目实施过程中进展或研究结果、计划调整情况等，须在汇报中如实反应；部分探索性研究内容，虽经过努力，也可能没取得理想结果或甚至失败，如有这种情况，也请在汇报中实事求是地反应出来，说明工作情况和发展态势。2.项目责任人所在学院组织教授初审，学院审核意见提议为：项目进展良好、项目进展顺利、项目进展迟缓或终止项目。3.项目责任人所在学院初审项目后，统一将中期检验汇报一份（阶段性结果证实材料附在各自汇报后面）报送本科生院创新和创业教育办公室。4.学校组织教授审核项目中期检验情况，中期检验结果为：优异、良好、合格、提议约谈和不合格。中期检验不合格项目，终止经费资助。请根据下列提要填报（可依据需要另加页）一、 基础情况项目名称掺杂二维层状材料作为电极材料设计和计算研究项目编号立项时间 4 月责任人手机号责任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署名1刘时超矿物加工工程 试验1405班资源加工和生物工程学院结构计算2谢元康矿物加工工程 试验1405班资源加工和生物工程学院结构计算3张鹏辉矿物加工工程 试验1405班资源加工和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1.参与宋晓岚教授主持稻壳基活性炭制备、改性及其废水处理应用关键技术研究和开发湖南省国土资源厅科技计划项目研究；2.参与宋晓岚教授主持超级电容器电极材料项目研究。3.4.参与学科竞赛情况（校级及以上等级）1.谢元康参与美国数学建模竞赛获一等奖2.袁晓东，张鹏辉，刘时超参与美国数学建模竞赛均获三等奖3.4.参与创新创业比赛情况（校级及以上等级）1.2.参与相关训练或实践情况校外：1.校内：1.创客空间： 2.试验室： 3.科研平台： 4.其它： 2.3.4.发表论文/取得专利情况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影响2.二、项目实施情况（附已取得阶段性结果证实材料复印件）内容提醒：项目研究目标、意义，研究进展情况，取得阶段性结果等（1500字左右）。1研究目标和意义 伴随环境问题不停涌现和能源危机不停迫近，设计、开发新型清洁储能材料成为目前迫切需求。锂离子电池是储能材料关键组成。其中，锂离子电池作为一个新型能量储存装置,含有高电压、高容量、自放电小、循环寿命长、无记忆效应和环境污染小特点。然而，其功率密度不高，充放电速度慢。多年来，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关键，故对锂离子电池材料进行研发含相关键意义。多年来，经典二维层状材料，比如石墨烯、过渡金属硫化物，经研究表明含有优良物理、化学特征，在锂离子电池、超级电容器等领域含有优良应用前景1。 其中，石墨烯是由单层碳原子组成六方蜂巢状二维结构。相关研究表明2，和已商业使用理论容量为372 mAhg石墨电极相比，基于双层吸附石墨烯含有740 mAhg最大理论容量。另外，锂离子也能够存放在石墨烯边缘和缺点部位，最大饱和Li储存状态能够是LiC2，以提供高达1116mAhg容量3。所以，含有这些特征石墨烯材料估计含有高锂储存能力，有潜力作为电极材料应用。对石墨烯进行异质原子掺杂，能够改变石墨烯中碳原子电子结构，并在表面形成拓扑孔，可极大地丰富材料化学和电化学活性。MoS2作为经典二维层状材料，在能量转化和储存方面也得到了广泛关注。研究表明，它含有高比容量，是一个十分有前景电极材料4,5,6。各MoS2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。其中层和层之间经过范德华力连接，层和层内个原子经过共价键连接7,8。对于锂离子电池而言，这种特殊层状结构使得金属离子能够较易嵌入、脱出分子层间隙并不引发过大体积膨胀，使其拥有锂离子电池材料所需储、放锂离子功效而成为近几年研究热点9。然而，MoS2电极材料容量易衰减，能量密度低，循环稳定性和可逆性全部不理想，大大限制了其应用。为了处理这些问题，相关研究者提出了经过拓宽MoS2层间距离，调整其纳米尺度形态或使用碳材料作为导电基体来改善MoS2电化学性能多种策略。 其中，掺杂作为提升电极材料关键路径，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电子材料，很多掺杂策略已被广泛地用于修饰电极材料。 然而，即使离子掺杂是改善材料电性能一个有效方法，但存在着掺杂离子选择复杂性和随机性等问题，对此尚缺乏系统理论指导。是否有可能使用掺杂后石墨烯、二硫化钼制成含有优良电性能材料，假如能够话，具体应该掺杂何种原子？掺杂最好位置处于何处？掺杂最好浓度应为多少？ 所以，对石墨烯、二硫化钼进行理论计算研究，以期经过理论计算，分析微观结构，并设计含有优异电性能掺杂石墨烯、二硫化钼。 2研究进展情况该项目在指导老师和硕士师兄师姐细心指导下，根据预期计划顺利进行，到现在为止，我们已经完成了以下部分工作：1.查阅了大量文件，并初步了解二维层状材料作为新型电极材料研究进展。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、二硫化钼几何结构和电子结构计算。首先采取第一性原理计算方法计算石墨烯、二硫化钼晶体结构和电子结构。取得石墨烯、二硫化钼晶格常数、晶胞体积、各原子之间成键信息，包含各原子间成键方法、各原子之间键长、成键以后电荷分布及电荷转移等。3.已取得阶段性结果 项目责任人参与撰写并投稿论文Research on Grains Growth Kinetics of Al Doped Nano LiMn2O4。三、下一步工作计划1.后期工作重心：关键是采取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、二硫化钼扩散通道影响，寻求最能显著拓宽扩散通道和改善其电性能离子。2.具体实施计划：(a) 选择和建造模型建立石墨烯、二硫化钼晶体结构模型，为了分析不一样离子掺杂浓度对石墨烯、二硫化钼多种性质影响，分别建立大小不一样超胞，掺杂离子分别替换相对应超胞中位置。计算离子掺杂后化合物能量和掺杂过程中形成能和结合能，从而判定掺杂离子在超胞中在什么位置，并确定不一样离子掺杂难易程度及其掺杂化合物结构稳定性。掺杂形成能越低，越轻易实现掺杂，假如形成能为正值，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计算 选择计算软件为VASP，对离子掺杂化合物进行优化后，得到弛豫后晶体结构，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改变规律，寻求适宜候选离子及掺杂量，使得掺杂化合物含有较宽锂扩散通道。然后，在此基础上对多种候选离子掺杂化合物进行能带和态密度计算，设计出含有优良电子导电性掺杂化合物。四、经费使用情况和经费安排计划 经费累计10000元，其中，学校配套资助10000元，学院（系、所）配套资助0元，其它经费0元。1.经费支出情况：购置书籍、计算机耗材 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元资料搜集、打印、复印、装订等 1000元是否存在专题资金使用困难需上交学校统筹使用情况：是否R（请在中划“”）。本项目团体郑重承诺严格遵照学校相关财务制度报销使用项目经费。 项目责任人署名： 年 月 日五、指导老师意见该项目进展良好，根据计划，已经完成了模型建立，几何结构和电子结构计算等内容，并已取得了阶段性结果，项目责任人参与撰写并投稿了论文Research on Grains Growth Kinetics of Al Doped Nano LiMn2O4。项目各组员接下来研究关键应放在掺杂离子对石墨烯、二硫化钼结构及其电性能影响上。接下来工作关键是采取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、二硫化钼扩散通道影响，寻求最能显著拓宽扩散通道和改善其电性能离子。最终选择出适宜掺杂离子及其掺杂量，设计出含有优良电性能材料。指导老师署名：年 月 日六、审核意见学院教授初审意见关键考察项目标研究进展情况、尚待处理问题、已取得阶段性结果、下阶段工作计划、经费安排计划及使用情况等。 教授署名： 年 月 日学院审核意 见 （公章）： 年 月 日学校教授评审意见 教授署名： 年 月 日学校创新和创业教育办公室审核意见（盖章）：年 月 日