【摘 要】
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染料敏化太阳能电池(DSSC)由于成本低,环境友好,易于生产,近年来作为有前途的新一代太阳能电池受到重视。DSSC的电化学性能直接取决于对电极的性能。作为传统的电极材料,铂(P
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染料敏化太阳能电池(DSSC)由于成本低,环境友好,易于生产,近年来作为有前途的新一代太阳能电池受到重视。DSSC的电化学性能直接取决于对电极的性能。作为传统的电极材料,铂(Pt)纳米材料被广泛使用。然而,铂金的高成本和有限的使用性限制了DSSC的大规模商业应用。因此,为了代替传统的铂材料,需要寻找具有较低成本,高导电性和优良催化活性的新对电极材料。石墨烯作为最热的明星材料之一,由于其独特的平面二维结构,特殊的单原子层以及丰富的特性,引起了广泛的关注。石墨烯材料由于其耐磨性、强度、耐热性、电学性、光学性等特点,可用于航空航天工程、物理、化学、材料、电信、计算机科学等多个领域。最近许多实验组报道了具有高电催化效率的石墨烯对电极材料的合成和应用。本论文中,应用密度泛函理论(DFT),对本征石墨烯和N、S掺杂的石墨烯材料的掺杂效应和吸附行为进行量子化学计算。计算结果对实验结果进行了很好的解释,并为有前景的电极材料的筛选和开发提供了理论支持。主要研究结果如下:使用B3LYP方法和高斯软件包,对本征石墨烯片段模型和N、S的掺杂石墨烯模型计算NBO(Natural Bond Orbital)原子电荷密度分布。结果表明N或S原子掺杂后产生了更多具有正电荷的活性位点。N/S共掺杂通过产生带有更大的正电荷的活性位点而引起协同效应,从而增强对电极材料的电催化活性。使用PBE泛函和VASP程序,建立了对石墨烯系列材料的周期模型,详细研究了本征石墨烯和N、S掺杂石墨烯对于I2的吸附行为。对于吸附能,吸附位点,电荷转移和带结构的计算表明,N/S共掺杂石墨烯比N或S单掺杂石墨烯具有更强的吸附能力。BADER电荷分析还揭示了N和S原子共掺杂的协同效应。基于片段或周期性石墨烯系列模型,理论计算得出非常一致的结论:石墨烯中N和S原子的掺杂导致形成更多的活性位点,这有助于I2的吸附。此外,N/S共掺杂产生协同效应,改善了石墨烯基电极材料的电化学性能。
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