摘要：日益增加的化石燃料消耗造成了大量CO_(2)排放,给我们的生活环境带来严重威胁,碳捕获、利用和封存(CCUS)技术应运而生。该技术的核心问题是CO_(2)捕获材料的设计与开发。设计了一系列具有不同孔径尺寸和—NO_(2)官能团数量的三角形MOF结构,并利用GCMC模拟研究了在298K和0.1~1.0bar条件下该系列MOF对CO_(2)的吸附分离性能。结果表明:随着孔径尺寸的增加,CO_(2)吸附量从S-1结构的0.39mmol/g增加到M-1结构的3.26mmol/g,随着孔径尺寸的持续增加,降低到L-1结构的1.71mmol/g。而官能团数量的增加则分别将S-1、M-1和L-1的CO_(2)吸附量提升到了S-2、M-2和L-2的1.03mmol/g、3.87mmol/g和2.78mmol/g。等温吸附热和CO_(2)相对于N_(2)/CH_(4)的选择性也呈现出类似的变化规律,范德华和库仑相互作用分析进一步阐明了不同结构间CO_(2)的吸附分离性能差异的本质原因。可为CO_(2)捕获材料的设计和开发提供重要指导。

摘要：金属硫系化合物作为水相锌电池的高性能阴极具有很大的潜力.然而,低可达表面和剧烈的体积膨胀限制了其整体性能和实际应用.为此,采用相工程策略结合空心结构设计,调控OH−在电极表面的吸附/脱附,能显著提高电极的整体电化学性能.本研究首次利用Se@C纳米棒模板,通过原位硒化过程可控合成了一系列碳纳米管(CNT)负载的镍硒化物,包括立方型NiSe_(2)NiSe_(2)/Ni_(0.85)Se复合材料、六方型Ni_(0.85)Se.优化后的NiSe_(2)/Ni_(0.85)Se/CNT复合材料具有比表面积大、孔隙率高、碳骨架空心等优点,具有616Cg^(−1)的高比容量、优良的倍率性能和稳定的循环寿命.通过一系列的非原位表征和DFT计算,深入研究了其内部的法拉第机制.结果表明,所制备的Ni//Zn电池在3485 W kg^(−1)时具有311.4 W h kg^(−1)的高能量密度和较长的循环寿命.本研究为硒化镍基电极材料的设计提供了一种巧妙的策略,且深入研究了其在碱性锌电池中的法拉第机理.

摘要：文章将碱性燃料电池Ni基阳极氢氧化(HOR)性能研究设计成研究型教学实验项目。该实验利用第一性原理方法,构建了3种KOH溶液/NiCr合金电极界面模型,分析了合金表面的抗氧化性,探究了合金表面的HOR机理,模拟了HOR极化曲线,筛选出具有优异抗氧化性和HOR活性的Ni3Cr(111)阳极催化剂。该实验以高性能计算集群为硬件支撑,采用Materials Studio软件包进行理论计算,适合作为本科生研究型教学实验,有助于学生创新意识和科研能力的培养。

摘要：金属有机骨架材料作为高比表面积、高孔隙率以及孔径尺寸可调的多孔材料,是一种极具潜力的CO_(2)物理吸附剂。本文构建了-H、-F、-Cl、-NH_(2)官能团功能化修饰的金属有机骨架kgm-1结构,通过巨正则蒙特卡罗模拟方法研究了不同压强下功能化修饰的金属有机骨架中CO_(2)/N_(2)吸附与分离行为,结果发现:CO_(2)和N_(2)的吸附量随着压强的升高而增加,功能化修饰对CO_(2)吸附量的影响明显大于对N_(2)吸附量的影响。在kgm-1-H、kgm-1-F、kgm-1-Cl、kgm-1-NH_(2)四种构型中,-F修饰可以显著提高kgm-1的CO_(2)吸附量,并提高CO_(2)/N_(2)的选择吸附比;功能化修饰后的选择性顺序遵循kgm-1-F>kgm-1-H>kgm-1-Cl>kgm-1-NH_(2)。通过气体分子-骨架间的相互作用力分析发现,骨架材料吸附气体分子主要是依靠骨架-气体分子间范德华力,极性官能团的引入明显提高了气体分子-骨架之间的相互作用力,尤其对于极性较强的CO_(2)吸附,因此也提高了CO_(2)/N_(2)混合气体的选择吸附比。本文凸显了功能化效应对CO_(2)/N_(2)吸附与分离性能的影响,同时也为碳捕获与封存技术中吸附剂材料的设计与筛选提供了理论依据。

摘要：基于密度泛函理论(DFT)和含时密度泛函理论(TD-DFT),通过调整分子骨架结构设计了一系列A-π-D-π-A(受体-π桥-供体-π桥-受体)型吲哚类染料敏化剂,系统研究其光电转化和电子传输微观机理,以论证A-π-D-π-A型染料分子骨架结构的合理性并筛选出高性能吲哚类染料敏化剂。结果表明,基于A-π-D-π-A型骨架结构的吲哚类纯有机染料敏化剂比具有传统D-π-A型骨架结构的敏化剂整体性能更佳,具有适宜的能级结构和轨道电子分布、拓宽的光谱吸收范围、较高的光捕获效率和分子内电子转移(IET)性能。同时,π桥缺电子性能的增强进一步提高了A-π-D-π-A型吲哚类纯有机染料敏化剂的性能。

摘要：随着新材料学科的快速发展以及社会需求的变化,材料科学与工程学院加强对人才的实验实践能力培养,重视设计性实验项目开发,提高教学质量。计算材料学实验积极推进教学改革,完善实验课程体系,增加设计实验比重,开设12个实验项目中有6个为近年开发的设计性实验。文章以其中染料敏化太阳能电池科研热点转化成的设计型计算材料学实验为例,详细阐述其实验背景、设计思路、教学环节、实验拓展和考核,为设计性实验探索和改革提供一定的参考价值。

摘要：依据当今材料实验的前沿研究热点,设计研究型"ABX3型钙钛矿材料光电特性的机理研究"实验。借助于VASP量化软件包、VESTA可视化软件及Origin绘图软件等,构建了MAPbI3(MA=CH3NH3+)新型钙钛矿模型,优化初始构建模型,计算钙钛矿的光电特性,并结合实验数据对比分析理论成果,为实验研究提供理论阐释与指导。教学实践表明,该实验不仅有助于学生掌握常用量化软件的使用方法,熟悉材料计算模拟流程及理论分析手段,而且培养了学生的创新能力,提高了科研兴趣。

摘要：实验内容与时俱进、实验环节科学设计是提高实验教学质量和培养学生创新思维的重要途径。围绕教师的科研热点和成果,利用Materials Studio(MS)软件中CASTEP模块,设计以计算分析晶体的电子结构为基础内容,不同层次深度拓展的创新性计算实验。该实验促进科研与教学融合,提高实验质量,提高学生运用基础理论知识分析问题的能力,培养学生创新思维。

摘要：依据材料科学发展的前沿知识,设计研究型"O2在Pt/TiO2表面吸附理论研究"的计算材料学实验。实验设计包括基础知识准备、模型构建及具体计算实施、计算结果分析讨论3部分,并在此基础上进行深层次内容拓展,实验内容密切联系学科发展前沿。教学实践证明,研究型计算材料学实验有助于学生熟悉模拟实验流程,掌握理论分析方法,提高运用专业知识能力,从而培养学生的科研能力和综合素质。

摘要：针对当前能源环境材料的研究热点,将新型多孔材料的吸附分离特性内容设计成研究性实验教学项目。实验分析了4种金属有机骨架MFM-300材料孔隙结构和形态,估算了MFM-300中的吸附等温线和选择性,通过分析吸附热及其差异,阐明了4种MFM-300材料中气体的吸附量和选择性变化,确定了气体吸附过程中影响吸附的机理及本质因素。教学实践表明,该实验项目有助于扩展教学思路和增强学生分析问题的能力,为科研成果转化为教学实验提供了借鉴。