论文总字数：24544字

摘 要

本篇文章主要是对黑磷储存氢气方面的研究，通过锂原子修饰黑磷，提高黑磷对氢气分子吸附能力，在密度泛函理论的基础上，运用第一性原理计算，对模型的吸附能力、稳定性以及吸附机理进行一系列研究。同时，研究黑磷上锂覆盖密度对吸附氢气分子的影响，得出最佳吸附氢气分子的衬底，计算最优结构时吸附氢气分子的质量密度。

首先，本人用Materials Studio 软件建立了34的黑磷超胞。通过对元素周期表中金属元素进行搜索计算，确定了用锂修饰的黑磷作为衬底吸附氢气。之后，比较得出了锂修饰的黑磷比纯黑磷在吸附氢分子的能力上更强。当在超胞上修饰一个锂原子时，分别计算了锂原子吸附一个、两个、三个和四个氢分子的吸附能，结果表明单个锂原子修饰黑磷时，最多能吸附三个氢分子，第四个氢分子由于吸附能太小无法被吸收。接下来，本人建立了22的黑磷超胞，然后逐渐增加锂的覆盖密度，结果发现随着锂覆盖密度的增加，其吸附能也在增加，最稳定的覆盖密度为25%，继续增加锂的覆盖密度时，黑磷的结构会发生改变，结构变得不稳定，当覆盖密度增大到50%时，结构分离并且导致整个结构的破坏。根据计算，覆盖密度为25%时，最优结构下锂修饰黑磷储氢量能达到4.4wt%。

关键字：二维材料，黑磷，氢分子，超胞，锂修饰，吸附能，覆盖密度，储氢容量

Abstract

This article is mainly about modifying black phosphorus with lithium atoms in order to improve the effective absorption of single black phosphorus on hydrogen molecule and studying the model’s stability as well as its ability and mechanism of absorption through first-principle calculations based on density functional theory. Meanwhile, we study the influence of the lithium's coverage density on the adsorption of hydrogen molecules, in order to obtain the optimum structure of adsorbing hydrogen molecules and calculate the mass density of hydrogen molecules in its optimum structure.

First, I use Materials Studio to establish a model of 34 black phosphorus supercell. I determine using a modified black lithium phosphorus as a substrate to adsorb hydrogen by searching and calculating the metal elements in Periodic Table of Elements. And then, make it clear comparatively that the black phosphorus modified by lithium is better than the pure one in absorbing hydrogen molecules . After that, I modify a lithium atom in supercell and calculate respectively the absorption energy to have one, two, three and four hydrogen molecules absorbed, and make it clear that up to three hydrogen molecules can be absorbed by black phosphorus modified by one lithium atom and the fourth hydrogen molecule is unable to be absorbed because of its little absorption energy. In the next, I establish 22 black phosphorus supercell and gradually increase the coverage density of lithium and make it clear that the absorption energy also increases correspondingly. The most stable coverage density is 25%. That is, if the coverage of lithium is continually increasing, the structure of black phosphorus will become unstable. When the coverage rises up to 50%, the optimized structure splits up and lead to the whole structure break down. According to the calculations, the capacity of hydrogen storage on condition that black phosphorus is most properly modified with lithium is 4.4wt%.

Keyword: two-dimensional materials，black phosphorus，hydrogen，supercell，adsorption energy, coverage density, hydrogen storage capacity

目录

摘要 II

Abstract III

第一章 绪论 1

1.1引言 1

1.2二维材料与黑磷 2

1.2.1二维材料与典型介绍 2

1.2.1.1 二维材料的简介 2

1.2.1.2石墨烯 3

1.2.1.3 二硫化钼与二硫化钨 4

1.2.2黑磷 4

1.2.2.1 黑磷的简介 4

1.2.2.2 黑磷的特性 5

1.2.2.3 黑磷的制备 5

1.2.2.4 黑磷与其他二维材料对比 5

1.2.2.5 黑磷的应用 5

1.2.2.6存在的问题 6

1.2.3储氢材料现状 6

1.2.4 研究目的以及主要研究内容 7

第二章 理论基础 9

2.1实验方法 9

2.2 第一性原理 9

2.3密度泛函理论 10

第三章 软件包介绍 11

3.1 Materials Studio 11

3.2 VESTA 11

3.3 VASP 11

3.3.1主要输入文件 12

3.3.2主要输出文件 13

第四章 锂修饰黑磷储氢研究 15

4.1锂修饰前后对黑磷吸附氢分子的影响 15

4.2单个锂原子修饰黑磷的储氢量 16

4.3锂覆盖率和储氢量 22

第五章 结论与展望 27

5.1结论 27

5.2展望 27

致谢 29

参考文献 30

第一章 绪论

1.1引言

在自然界中氢元素的储量很丰富，而且氢的能量密度很高，生成的产物对环境没有污染，是清洁可再生能源，但是，氢元素有着很强的还原性，氢气非常容易燃烧，在高温下，氢的化学性质就更加的活泼。由于其特殊性质，不便于在常温常压下储存，所以一直被科研工作者们认为是一种理想的能量载体与储能媒介。

20世纪70年代以后，科研工作者们开始关注氢能源，对其进行研究与开发，首要解决的问题就是氢气的安全储存。近年来，越来越多的科研工作者开始关注到，二维材料有着许多作为潜在储氢材料的优点。例如：高储氢储存比，运输存放中的安全性和氢气充放过程中的高效性等。因为拥有高比表面积，二维材料在气体存储方面具有天然的优势。近几年科研工作者们接连不断的分离出了许多二维材料，例如：石墨烯、二硫化钼、二硫化钨等，因而兴起了一场研究二维材料的热潮。黑磷作为一种新兴的二维纳米材料，被看作是石墨烯时代的领军人物，因其有着许多的优势，它被许多科研工作者们认为是后石墨烯时代最具有应用前景的新兴材料。

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