Ti3C2电极材料的密度泛函理论计算

司 雪, 李 卓, 王思奇, 杨鑫林, 佘维汉, 徐 强， 杨光敏

(1. 长春师范大学 物理学院, 长春 130032; 2. 长春工程学院 勘查与测绘学院, 长春 130012)

近年来便携式电子设备的功耗逐渐增大, 环境污染与全球能源危机日益加剧, 新能源交通工具高速发展, 因此探索清洁、 可持续、 可再生能源已成为该领域目前的研究热点[1-2]. 超级电容器作为新型绿色环保储能装置具有高功率密度、 高可靠性、 体积小、 绿色环保等优点[3-9], 但其能量密度低, 限制了应用. 为提高超级电容器的性能, 寻找优异的电极材料已引起人们广泛关注.

一种新型过渡金属碳化物、 氮化物或碳氮化物二维纳米材料MXenes已应用于超级电容器中, 其中Ti3C2通过蚀刻MAX相中Al原子得到. MAX通式为Mn+1AXn, M和A分别表示过渡金属元素及ⅢA和ⅣA主族元素, X为碳或氮元素,n=1～3. 实验上通常用氢氟酸(HF)蚀刻Ti3AlC2, 其方程为Ti3AlC2+3HF=AlF3+3/2H2+Ti3C2. 在HF和H2O同时存在的条件下, 由于Ti3C2层表面暴露的Ti原子最终端接F—等基团或认为Ti3AlC2的Al层被F—等基团取代, 因此纯MXenes材料在现实中无法存在, 多以表面携带H—,—O—,F—等端基官能团的形式存在. 本文基于密度泛函理论的第一性原理, 研究H—,—O—,F—三种基团对Ti3C2的电子结构和量子电容的调制效果.

1 计算方法和结构模型

1.1 计算方法

计算均采用密度泛函理论的缀加投影波方法, 使用Vienna Ab-initio Simulation Package (VASP)软件包. 电子交换关联能使用Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE)泛函. 截断能为450 eV, 层间距设为1.8 nm,K点设置为0.189. 将自旋计算考虑在内.

1.2 结构模型

Ti3C2单层按Ti—C—Ti—C—Ti的顺序堆叠而成, 可描述为3个Ti原子层与2个C原子层形成边缘共享的八面体, 如图1(A)所示. 氟化的Ti3C2通过F—基团使表面欠配位的Ti原子达到饱和而构造. 本文考虑F—等基团3种可能的吸附位置： Ⅰ位于3个相邻C原子的中心处, 直接指向Ti原子位置的正上方；……