石墨烯量子電容的理論研究

張馨等

【摘 要】石墨烯的量子電容可通過N摻雜、空位缺陷和吸附過渡金屬原子的方法提升，量子電容的增加與局限態接近狄拉克點或缺陷和摻雜造成的費米能級移動有關。

【關鍵詞】石墨烯；量子電容；狄拉克點

介紹：由于可持續發展的需要，研究和開發出能為人類提供可再生、綠色、清潔能源的新型能量儲裝置顯得尤為迫切和重要。在此背景條件下， 超級電容器應運而生。超級電容器由于兼有傳統電容和電池的雙重功能，其具有充電速度快、放電電流大、效率高、體積小、循環壽命長、工作溫度范圍寬、可靠性好、免維護和綠色環保等優點。在超級電容器的研究中，許多工作都是圍繞著開發在大電流充放條件下具有較高比容量的電極材料而進行的。目前，超級電容器電極材料的研究主要集中在某一種材料合成手段的改進（摻雜等）和多種材料復合兩個方面。為了提高GN的比電容，主要通過增加其比表面積、進行化學摻雜等增加自由電荷傳遞密度[6-10]、控制開口的孔徑、避免層狀結構的疊加、提高分散性、控制晶格缺陷密度的比例，控制碳的成鍵類型。而總電容的增加由N摻雜引起的GN本身的電極電容（量子電容CQ）貢獻，卻很少受關注，CQ對總電容的貢獻如何及如何有效調控量子電容等是需要關注的問題。

自從2004年石墨烯被發現以后，由于它奇特的物理化學性質，出現了很多關于它的制備和性質的研究。對于一個單原子層的材料，石墨烯被預言用作化學儲能設備。例如：可用作二次Li電池陽極以及石墨烯超級電容器的電極。理論上它表面積較大（2630m2/g）并具有良好的導電性，石墨烯被看作是一種理想的電化學雙層電容的電極（EDLCs）。

EDLC是一種高功率密度的超級電容，它與低功率密度的電池相比擁有相當的壽命和相似的充電電路。實際使用中以石墨烯為基的材料其體積和表面積已經達到最小，電解液和電極的接觸已經達到極限，而超級電容的潛能還未被足夠的利用。因此，尋找適當的電極材料是超級電容實現高電容的關鍵，一些報告證實了摻雜或功能化的石墨烯能夠一定程度的提升電容。報告中建議通過促進電解液對電極的潤濕性來增強導電性和贗電容。

首先通過態密度計算來檢驗碳摻雜、濃度、空位濃度、過渡金屬原子對石墨烯量子電容和電子結構的影響。計劃通過適當摻雜物與缺陷來提高量子電容的效率。基于研究結果，討論缺陷和摻雜劑是如何提高石墨烯超級電容的整體性能。

理想金屬將導致額外的電荷被限制于表面。因此電容金屬連接處的部分電極通常不作為主要的工作部分。

kB是玻爾茲曼常數。在量子電容的計算中，空間溫度是（300K）選擇溫度參數T。D（E）在DFT中用改良后的高精度的線性插值法進行計算。

結論：

我們用密度泛函理論的第一原理系統的研究了半導體摻雜和缺陷在石墨烯的電子結構和對量子電容的影響。我們的結果清晰的證明了石墨烯量子電容氮摻雜、空位缺陷和過渡金屬原子的吸附可以明顯的提高石墨烯量子電容。發現這些電子方法可以通過引入接近狄拉克點的局域態和移動費米能級來修改能帶結構。局域態接近費米能級導致了自旋極化也增加了缺陷密度，比如氮參雜和單一空位使量子電容單調的提高了。比較銅吸附在原始的石墨烯和單一空位的石墨烯可得空位對改變量子電容起到了關鍵的作用。這些發現將影響石墨烯類電極在超級電容的發展。

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[責任編輯：湯靜]