文献解读 | 通过密度泛函理论计算+实验研究，发了篇19分文章

2023-08-30 17:58 作者:帕斯学库 0人读过 | 我要投稿

今天小帕给大家解读一篇2023 年 8 月 22 日发表在ADVANCED FUNCTIONAL MATERIALS（ IF：19 ）杂志上的文章：“Highly Pseudocapacitive Storage Design Principles of Heteroatom-Doped Graphene Anode in Calcium-Ion Batteries ”（高度伪电容储存设计原则：杂原子掺杂石墨烯阳极在钙离子电池中的应用）。本研究通过密度泛函理论计算和实验验证，建立了钙离子电池阳极材料的设计原则，提出了一个新的描述符𝚽，用于预测杂原子掺杂石墨烯阳极的储存性能，并成功筛选出了具有10倍钙离子储存能力的最佳双掺杂石墨烯阳极材料。

研究背景

论文背景：钙离子电池作为锂离子电池的潜在替代品，具有优秀的物理化学性质和成本优势，但目前钙离子电池的阳极材料仍然存在问题。

过去方案: 过去的研究中，虽然有许多潜在的阴极材料可供选择，但钙离子电池的阳极材料仍然很少。

论文的Motivation:为了解决钙离子电池阳极材料的问题，本研究通过密度泛函理论计算和实验验证，建立了钙离子电池阳极材料的设计原则，并提出了一个新的描述符𝚽，用于预测杂原子掺杂石墨烯阳极的储存性能。通过这些研究，成功筛选出了具有10倍钙离子储存能力的最佳双掺杂石墨烯阳极材料。

研究思路

a. 理论背景：

本文讨论了将间歇性可再生能源整合到电网中所需的高性能和经济实惠的电池。钙离子电池（CIBs）由于其物理化学优势被认为是锂离子电池（LIBs）的潜在替代品。然而，CIBs缺乏适合的阳极材料。本文强调了设计CIBs阳极时的两个关键问题：固态扩散动力学缓慢和低容量和循环稳定性。本文提出了伪电容材料，特别是杂原子掺杂碳纳米材料，作为解决这些问题的方法。特别是，本文确定了石墨烯作为CIBs的有前途的阳极材料，由于其独特的性质。然而，关于无金属杂原子掺杂石墨烯作为CIBs阳极材料的研究还不足。本文旨在建立设计原则和描述符，以预测杂原子掺杂石墨烯阳极在CIBs中的伪电容储存性能。

b. 技术路线：

本文使用密度泛函理论计算和实验研究了杂原子掺杂石墨烯作为CIBs伪电容阳极的结果。研究调查了不同掺杂剂对阳极储存性能的影响。作者提出了一种伪电容理论，用于描述杂原子掺杂碳纳米材料的伪电容行为。研究确定了掺杂石墨烯表面上钙离子储存的活性位点，并探索了储存过程中的相变机制。结果表明，引入掺杂剂和纳米带缺陷降低了吸附能垒，并创造了钙离子储存的活性位点。研究还揭示了掺杂结构与阳极能量储存性能之间的关系。建立了一种新的描述符，用于预测单/共掺杂石墨烯阳极的容量和功率密度。通过实验证实了预测结果。提出的伪电容理论为电荷储存机制提供了见解，并为设计高性能碳基阳极提供了可能性。

结果解读

a. 详细的实验设置：

本文在饱和的CaCl2溶液中进行了电化学测量，使用了合成和非合成的双掺杂石墨烯样品。通过扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）对样品进行了表征，发现了一致的皱褶层状结构和一定的孔隙。能量色散X射线光谱（EDS）分析证实了掺杂石墨烯样品中所需的杂原子的存在。

b. 详细的实验结果：

通过伽伴诺静态充放电测试评估了掺杂石墨烯样品的电化学性能。样品表现出明显的伪电容特性，并计算了每个样品的比电容。进一步计算并比较了每个样品的比电容和描述符Φ。结果显示了计算的比电容和每个Ca2+储存位点的比电容之间的类似趋势。基于对描述符和ΔGmin的分析，确定了Sb掺杂石墨烯作为研究中使用的最佳掺杂剂。

数据图如下：