电催化剂的制备及性能研究计算及实验原理.doc
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1、第1章 计算及实验原理2.1引言研究MoS2电催化性能一方面需要知道其催化原理及催化性能如何测试。本章重要从理论模型的计算和实验原理方向进行叙述:(1)介绍基于密度泛函理论的第一性原理,目的在于计算并理解MoS2材料结构、形貌对于其催化性能的影响,寻找MoS2电催化活性位点,对于对的设计实验起着必不可少的指导作用。(2)介绍本文中重要使用的MoS2电催化剂的制备方法原理,涉及液相剥离法、水热法和微波辅助法,重要介绍了各种方法的原理及特点。(3)介绍MoS2电催化剂的电化学性能的测试和材料表征测试原理,涉及:透射电子显微镜(TEM)、X射线衍射(XRD)和X射线光电子能谱(XPS)测试,并探索它
2、们在本课题中的应用。2.2理论计算为探究MoS2这种材料对于电化学催化的活性位点,本文采用了基于密度泛函理论(Density Functional Theory,DFT)的第一性原理计算方法。第一性原理是指基于量子力学的方法,通过求解薛定谔方程获取多粒子系统的各种参数,如系统总能量、固体能带、热导率、光学介电函数等。由于多粒子系统的复杂性使得直接求解这一系统的薛定谔方程并不现实。在计算过程中,通过密度泛函理论近似,将粒子的物理性质用粒子态密度函数描述。密度泛函理论由Hebenberg和Kohn提出,此外Kohn和Sham建立了科恩-沙姆(Kohn-Sham)方程23,该方程为进行密度泛函理论近
3、似提供基础。 (2-1)在求解Kohn-Sham方程时需给出拟定的互换关联能,常用方法涉及由Kohn和Sham提出的局域密度近似法(Local Density Approximation,LDA)和Perdew等人提出的广义梯度近似法(Generalized Gradient Approximation,GGA)。本文在计算时采用GGA近似方法,这种方法认为电子密度是非均匀的。通过引入电子密度的梯度,得到GGA近似下的互换相关能泛函: (2-2)2.3实验原理MoS2纳米材料有许多种制备方法,重要分为物理方法和化学方法两大类。如机械剥离法、液相剥离法、化学气相淀积法、水热法、电化学沉积法24,
4、25等。使用不同的制备工艺可以得到形态结构不同的MoS2纳米材料。本文为制备MoS2纳米片及MoS2纳米花,重要使用了液相剥离法和水热法。2.3.1 液相剥离法液相剥离法制备MoS2是一种纯物理制备方法。Jonathan N Coleman26于2023年具体报道了这种通过将过渡金属硫化物(Transition Metal Dichalcogenides,TMDs)溶于有机溶剂,经超声剥离后可大量制备少层纳米材料的方法。这种方法能制备出层数少、缺陷少的高质量MoS2纳米片,如图2-1所示。图 11 液相剥离法制备的MoS2纳米片TEM该方法可以选用多种有机溶剂,如N-甲基吡咯烷酮(NMP)、异
5、丙醇(IPA)、二甲基甲酰胺(DMF)等。由于MoS2具有类石墨烯的片层结构,其层与层之间靠较弱的范德华力互相作用,易于分开。当将一定量MoS2粉末溶于有机溶剂中,在超声波环境超声数小时的过程中,有机溶剂会插入到MoS2片层中,增长MoS2层间距,进一步减弱范德华力,从而使其被剥离为多层乃至单层的MoS2纳米片状材料。通过控制超声功率可以获得尺寸大小不同的MoS2纳米片。运用液相剥离法可大批量、规模化地制备出结构完整的MoS2纳米片。这种方法操作简朴,不易受环境变化影响。但是其制备周期较长,在实验室制备效率不高。2.3.2 水热法水热法是一种常见的制备特殊形貌结构MoS2材料的一种方法。通常来
6、讲,水热法就是指将前驱物置于密闭反映釜中,在液相条件下,通过控制反映时间、反映温度、压强等条件可改变制备出的MoS2材料的结构与形貌27。水热法是一种化学制备方法,本文具体采用了水热合成法。在亚临界反映区(100-240)条件下,以水为反映介质,运用物质在较高温度下溶解度的变化和反映物间的互相作用28制备高纯度、结构可控的纳米材料。水热法合成的MoS2纳米微球如图2-2所示。图 12 水热法制备的MoS2纳米微球这种方法对环境不存在污染,反映条件相对温和,只要控制好反映时间、温度和压强即可制备出花状MoS2纳米材料。2.3.3 微波辅助法微波法可以在物质合成过程中较为精细地改变纳米材料的性质,
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