摘要
氢能被认为是最具有发展价值的清洁能源之一，在制备氢能的各种工艺中，电催化裂解水被认为是一种简单易控、清洁环保的方法。为了快速、高效的制备氢能源，开发具有高活性、高稳定性、低成本的电催化剂就显得尤为重要。本文利用密度泛函理论，探究了第V主族和第Ⅵ主族单原子(N、P、As、O、S、Se、和Te)锚定到二维β-Sb表面空位后对析氢反应(HER)的影响，计算结果表明当β-Sb二维表面掺杂第Ⅵ主族原子时，掺杂摩尔浓度为2.78％的Se@Sb结构和O@Sb结构以及掺杂摩尔浓度为5.56％的S@Sb结构在保持良好的稳定性的同时展现出可以与Pt(111)表面相媲美的HER催化活性。此外，研究表明对Te@Sb结构施加大约为4％～5％的x、y双轴压缩应力也可以实现对HER催化活性的调控。本项工作的研究内容除了设计出可以有效改善HER电催化活性的D@Sb掺杂结构外，还从Bader电荷、电子分波态密度(PDOS)和晶体轨道哈密顿布局(COHP)等物理学角度解释了掺杂原子后伊Sb结构中Sb原子被激活的原因。此外，引入了一个新的表征HER电催化剂催化活性的物理量——费米能级上电子的占据数。总体而言，本篇论文的研究工作不仅提出了改善β-Sb二维结构表面HER电催化活性的方案，而且从物理学角度揭示了改善催化活性的原因，相信该研究工作会为后续β-Sb二维材料的应用提供一定的帮助。本篇论文的结构安排为: 第一章:绪论。首先简要概述了近年来氢能源对社会发展的重要性，其次描述了电催化裂解水制备氢能源这一方法的基本原理与机制:化学反应需要催化剂来加快反应的速率，提高反应物的利用率，因此在本章最后一部分对HER的电催化剂进行着重的描述。 第二章:理论方法。在第一部分简单介绍了计算物理学领域中重要的理论方法——第一性计算原理的基础理论知识和发展过程;第二部分描述了在计算电催化的相关工作中所需要的一些工具;最后在本章的结尾部分概括了本篇工作中所用到的软件。 第三章:研究内容。首先是;对β-Sb这种典型的蜂窝状二维材料进行几何结构和电子结构的描述，随后对具体的研究内容展开讨论，最后计算结果表明当摘要D=O、S、Se、和Te时，掺杂结构D@Sb中被激活的Sb原子表现出良好的HER催化活性。在分析原因部分总结得出:当引入n型掺杂剂到缺陷态β-Sb表面后，被激活的Sb原子的s-pz轨道因为缺失部分孤对电子而产生局域空穴，局域空穴的引入大大减弱了电子间的库伦斥力，从而增强了对H原子的吸附能力。 第四章:总结与展望。对β-Sb二维材料的工作内容进行总结，并简要陈述本项研究工作的潜在价值。
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