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中南大学大学生创新类项目中期检查报告项目类型：创新训练□自由探索研究性学习□米塔尔创新□项目级别：国家级校级□（请在□中划“√”）项目名称：掺杂二维层状材料作为电极材料设计与计算研究项目编号：201710533310项目负责人：袁晓东负责人所在学院：资源加工与生物工程学院项目成员：刘时超谢元康张鹏辉指导教师：宋晓岚资助总额：1万元，已拨款额：1万元执行年限：2017年4月-2018年3月填表日期：2017年11月18日中南大学2017年制2填写说明1.请按表格要求如实填写，可根据需要加页，要求层次分明,内容准确；项目执行过程中的进展或研究成果、计划调整情况等，须在报告中如实反映；部分探索性研究内容，虽经过努力，也可能没获得理想结果或甚至失败，如有这种情况，也请在报告中实事求是地反映出来，说明工作状况和发展态势。2.项目负责人所在学院组织专家初审，学院审核意见建议为：项目进展良好、项目进展顺利、项目进展迟缓或终止项目。3.项目负责人所在学院初审项目后，统一将中期检查报告一份（阶段性成果证明材料附在各自报告后面）报送本科生院创新与创业教育办公室。4.学校组织专家审核项目中期检查情况，中期检查结果为：优秀、良好、合格、建议约谈和不合格。中期检查不合格的项目，终止经费资助。3请按照下列提纲填报（可根据需要另加页）一、基本情况项目名称掺杂二维层状材料作为电极材料设计与计算研究项目编号201710533310立项时间2017年4月负责人手机号15116405468负责人邮箱1642091529@qq.com项目主要研究人员序号姓名学号专业班级所在学院项目分工本人签名1刘时超0301140103矿物加工工程试验1405班资源加工与生物工程学院结构计算2谢元康0301140104矿物加工工程试验1405班资源加工与生物工程学院结构计算3张鹏辉0301140118矿物加工工程试验1405班资源加工与生物工程学院结构计算参与假期读书、实践调研、自主训练等情况1.参加宋晓岚教授主持的《稻壳基活性炭制备、改性及其废水处理应用的关键技术研究与开发》湖南省国土资源厅科技计划项目研究；2.参加宋晓岚教授主持的超级电容器电极材料项目研究。3.4.参加学科竞赛情况（校级及以上级别）1.谢元康参加美国数学建模竞赛获一等奖2.袁晓东，张鹏辉，刘时超参加美国数学建模竞赛均获三等奖3.4.参加创新创业比赛情况（校级及以上级别）1.2.参与相关训练或实践情况校外：1.校内：1.创客空间：2.实验室：√3.科研平台：√4.其他：2.3.4.发表论文/获1.刘时超参与发表论文《预活化时间对稻壳基活性炭结构和电化学性4得专利情况能的影响》2.二、项目实施情况（附已取得的阶段性成果证明材料复印件）内容提示：项目研究的目的、意义，研究进展情况，取得的阶段性成果等（1500字左右）。1．研究目的和意义随着环境问题的不断涌现和能源危机的不断逼近，设计、开发新型清洁储能材料成为当前的迫切需求。锂离子电池是储能材料的重要组成。其中，锂离子电池作为一种新型能量储存装置,具有高电压、高容量、自放电小、循环寿命长、无记忆效应和环境污染小的特点。然而，其功率密度不高，充放电速度慢。近年来，研究开发高电压、高容量、高功率、长循环寿命并能实现快速充放电的锂离子电池成为热点。其中，高性能电极材料研究和开发是锂离子电池发展的关键，故对锂离子电池材料进行研发具有重要意义。近年来，典型二维层状材料，例如石墨烯、过渡金属硫化物，经研究表明具有优良的物理、化学特性，在锂离子电池、超级电容器等领域具有优良的应用前景[1]。其中，石墨烯是由单层碳原子组成的六方蜂巢状二维结构。相关研究表明[2]，与已商业使用的理论容量为372mAh／g的石墨电极相比，基于双层吸附的石墨烯具有740mAh／g的最大理论容量。此外，锂离子也可以存储在石墨烯的边缘和缺陷部位，最大饱和的Li储存状态可以是LiC2，以提供高达1116mAh／g的容量[3]。因此，具有这些特征的石墨烯材料预计具有高锂储存能力，有潜力作为电极材料应用。对石墨烯进行异质原子掺杂，可以改变石墨烯中碳原子的电子结构，并在表面形成拓扑孔，可极大地丰富材料的化学和电化学活性。MoS2作为典型的二维层状材料，在能量转化和储存方面也得到了广泛关注。研究表明，它具有高比容量，是一种十分有前景的电极材料[4,5,6]。各MoS2层由S-Mo-S三层原子依次堆叠而成，形成三明治型层状结构。其中层与层之间通过范德华力连接，层与层内个原子通过共价键连接[7,8]。对于锂离子电池而言，这种特殊的层状结构使得金属离子可以较易嵌入、脱出分子层间隙并不引起过大的体积膨胀，使其拥有锂离子电池材料所需的储、放锂离子功能而成为近几年的研究热点[9]。然而，MoS2电极材料容量易衰减，能量密度低，循环稳定性和可逆性都不理想，大大限制了其应用。为了解决这些问题，相关研究者提出了通过拓宽MoS2的层间距离，调整其纳米尺度的形态或使用碳材料作为导电基体来改善MoS2的电化学性能的各种策略。其中，掺杂作为提高电极材料的重要途径，得到了广泛关注。各式掺杂策略和掺杂技术已被广泛地用于修饰新的电子材料，许多掺杂策略已被广泛地用于修饰电极材料。5然而，虽然离子掺杂是改善材料电性能的一种有效方法，但存在着掺杂离子选择的复杂性和随机性等问题，对此尚缺乏系统的理论指导。是否有可能使用掺杂后石墨烯、二硫化钼制成具有优良电性能的材料，如果可以的话，具体应该掺杂何种原子？掺杂最佳位置处于何处？掺杂最佳浓度应为多少？因此，对石墨烯、二硫化钼进行理论计算研究，以期通过理论计算，分析的微观结构，并设计具有优异电性能的掺杂石墨烯、二硫化钼。2．研究进展情况该项目在指导老师以及研究生师兄师姐的细心指导下，按照预期计划顺利进行，到目前为止，我们已经完成了如下的一些工作：1.查阅了大量文献，并初步了解二维层状材料作为新型电极材料的研究进展。2.在笔记本电脑上安装MaterialStudio、Vesta、Origin等相关软件，熟悉软件操作。运行VASP，熟悉相关指令及操作。3.建立了石墨烯、二硫化钼晶体结构模型，完成了对石墨烯、二硫化钼的几何结构和电子结构的计算。首先采用第一性原理计算方法计算石墨烯、二硫化钼的晶体结构和电子结构。获得石墨烯、二硫化钼的晶格常数、晶胞体积、各原子之间的成键信息，包括各原子间的成键方式、各原子之间的键长、成键之后的电荷分布及电荷转移等。3.已取得的阶段性成果项目负责人参与撰写并投稿论文《ResearchonGrainsGrowthKineticsofAlDopedNanoLiMn2O4》。三、下一步工作计划1.后期工作重心：主要是采用第一性原理计算方法计算离子掺杂石墨烯、二硫化钼，分析离子掺杂对石墨烯、二硫化钼扩散通道的影响，寻求最能显著拓宽扩散通道和改善其电性能的离子。2.具体实施计划：(a)选取和建造模型建立石墨烯、二硫化钼晶体结构模型，为了分析不同离子掺杂浓度对石墨烯、二硫化钼各种性质的影响，分别建立大小不同的超胞，掺杂离子分别取代相对应超胞中的位置。计算离子掺杂后化合物的能量以及掺杂过程中的形成能和结合能，从而判定掺杂离子在超胞中位于什么位置，并确定不同离子掺杂的难易程度及其掺杂6化合物的结构稳定性。掺杂形成能越低，越容易实现掺杂，如果形成能为正值，掺杂过程就不能实现；结合能越低，掺杂结构就越稳定。(b)几何结构和电子结构的计算选取的计算软件为VASP，对离子掺杂化合物进行优化后，得到弛豫后的晶体结构，分析石墨烯、二硫化钼经过离子掺杂后，该晶体中各离子之间键长的变化规律，寻找合适的候选离子及掺杂量，使得掺杂化合物具有较宽的锂扩散通道。然后，在此基础上对各种候选离子掺杂化合物进行能带与态密度计算，设计出具有优良电子导电性的掺杂化合物。四、经费使用情况和经费安排计划经费合计10000元，其中，学校配套资助10000元，学院（系、所）配套资助0元，其他经费0元。1.经费支出情况：购买书籍、计算机耗材2000元增加计算节点4500元材料计算分析费1500元2.下阶段经费安排计划：材料计算分析费、论文发表版面费1000元资料收集、打印、复印、装订等1000元是否存在专项资金使用困难需上交学校统筹使用的情况：是□否（请在□中划“√”）。本项目团队郑重承诺严格遵照学校相关财务制度报销使用项目经费。项目负责人签名：年月日五、指导教师意见该项目进展良好，按照计划，已经完成了模型的建立，几何结构和电子结构的计算等内容，并已取得了阶段性成果，项目负责人参与撰写并投稿了论文《ResearchonGrainsGrowthKineticsofAlDopedNanoLiMn2O4》。项目各成员接下来的研究重点应放在掺杂离子对石墨烯、二硫化钼结构及其电性能的影响上。接下来的工作主要是采用第一性原理计算方法计算离子掺杂石墨烯、二硫化钼，分析离子掺杂对石墨烯、二硫化钼扩散通道的影响，寻求最能显著拓宽扩散通道和改善其电性能的离子。最终选择出合适的掺杂离子及其掺杂量，设计出具有优良电性能材料。指导教师签名：年月日7六、审核意见学院专家初审意见主要考察项目的研究进展情况、尚待解决的问题、已取得的阶段性成果、下阶段工作计划、经费安排计划及使用情况等。专家签名：年月日学院审核意见（公章）：年月日学校专家评审意见专家签名：年月日学校创新与创业教育办公室审核意见（盖章）：年月日