轻金属基复杂氢化物原子、电子结构与转换反应型储钠性质的第一性原理研究

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基本信息

  • 批准号:
    51801113
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    25.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    E0107.金属功能材料
  • 结题年份:
    2021
  • 批准年份:
    2018
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2019-01-01 至2021-12-31

项目摘要

The problems of environmental pollution and finite fossil fuel supply have stimulated the hot research on the relative cheap sodium-ion batteries (SIB) for large-scale and green energy storage applications around the world these years. Currently, the majority of the studies on SIB anode materials have focused on various carbon, the Ⅳ and Ⅴ group elements and metal oxides and sulfides. While, there has been very little research on metal hydrides as SIB anode materials. It is quite necessary to perform fundamental research on metal hydrides since this materials system has potentially high specific capacities. In this project, we will focus on the light-metal (Al, Mg, Ti) based complex hydrides and investigate theoretically their structures and sodium-storage properties based on the state-of-the-art first-principles (ab-initio) molecular dynamics method combined with hybrid functionals. The atomic and electronic structures of several light-metal based complex hydrides and the effects of doping will be revealed. The sodium-storage thermo-kinetic properties of intrinsic and doped light-metal complex hydrides and their relationship with the electronic structures of materials will be investigated. In addition, the conversion reaction process of the light-metal complex hydrides anodes will also be studied to theoretically predict the reaction paths and the reaction mechanisms. This fundamental research is proposed to supply computational quantatitive design on the usage of light metals in SIB anodes on one hand; on the other hand, the proposed theoretical study will lay an important foundation for the future experimental research and development.
近年来环境污染和化石能源短缺的双重倒逼引发了绿色、大规模储能用廉价钠离子电池材料的研究热潮。目前国内外关于储钠负极材料的研究多集中于各种碳材料、第Ⅳ和第Ⅴ主族单质或合金以及各种氧化物和硫化物,而对于金属基氢化物这一体系作为转换反应型储钠负极材料的研究则非常缺乏。考虑到轻金属氢化物潜在的容量密度,很有必要对其开展前瞻性理论研究。为此,本项目主要基于第一性原理从头算的分子动力学并结合杂化泛函等先进密度泛函理论方法,剖析Al、Mg、Ti基轻金属复杂氢化物的原子、电子结构及掺杂元素影响,获得本征及掺杂态各氢化物负极材料的储钠热、动力学性质并探索其与材料电子结构的关联规律,探究轻金属基复杂氢化物负极材料的电极反应过程,从理论上预测电极反应路径并初步阐释转换反应型储钠机理。预期该项研究不仅为后续实验研究奠定重要的理论基础,而且将为轻金属在钠离子电池转换反应型负极材料中的应用提供有效的材料设计方法。

结项摘要

近年来能源与环境问题的双重影响引起了具有较高资源丰度的储钠材料的研究热潮。本项目主要采用第一性原理计算方法探索了一系列轻金属基复杂氢化物作为储钠电极材料的原子尺度结构、电子结构和电化学性质。从理论计算层面揭示了所研究轻金属基复杂氢化物的微观原子、电子结构,获得了各轻金属氢化物电极材料的电化学储钠基本性质并阐明了各掺杂元素对钠离子扩散动力学的影响,从理论上理解了电极反应过程并初步阐释了转换反应型储钠的化学物理机制。钠离子在Li4Al4(N4H8)4晶格中的扩散能垒为0.45 eV,在改性Li4AlB3(N4H8)4材料中的扩散能垒可降至0.31 eV。Li-Mg1掺杂体系作为钠离子电池负极材料时,理论比容量可提升到1978.26 mAh/g,平均电压降低到0.408 V。钠离子在Mg7TiH16表面上的扩散需要克服0.04 eV的扩散能垒,而在Li-Mg1掺杂体系表面上扩散仅需要克服0.01 eV的能垒。发表SCI学术论文11篇,并得到德国亥姆霍兹乌尔姆研究所、韩国成均馆大学等单位的正面引用与评价。本项目的研究结果将为后续实验研究以及其它新型转换反应型储钠负极材料的理性设计提供有价值的基础理论指导。

项目成果

期刊论文数量(11)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Defective and doped aluminum nitride monolayers for NO adsorption: Physical insight
用于 NO 吸附的缺陷和掺杂氮化铝单层:物理洞察
  • DOI:
    10.1016/j.cplett.2020.137592
  • 发表时间:
    2020-08
  • 期刊:
    Chemical Physics Letters
  • 影响因子:
    2.8
  • 作者:
    Wenzheng Du;Chuanzong Zhao;Kunpeng Liu;Hu Li;Yougen Chen;Yanwen Bai;Rajeev Ahuja;Zhao Qian
  • 通讯作者:
    Zhao Qian
Structural Evolution of AlN Nanoclusters and the Elemental Chemisorption Characteristics: Atomistic Insight
AlN 纳米团簇的结构演化和元素化学吸附特性:原子洞察
  • DOI:
    10.3390/nano9101420
  • 发表时间:
    2019-10-01
  • 期刊:
    NANOMATERIALS
  • 影响因子:
    5.3
  • 作者:
    Nie, Xi;Qian, Zhao;Liu, Xiangfa
  • 通讯作者:
    Liu, Xiangfa
Effect of defects on adsorption characteristics of AlN monolayer towards SO2 and NO2: Ab initio exposure
缺陷对 AlN 单层对 SO2 和 NO2 吸附特性的影响:从头开始暴露
  • DOI:
    10.1016/j.apsusc.2018.08.073
  • 发表时间:
    2018-12-31
  • 期刊:
    APPLIED SURFACE SCIENCE
  • 影响因子:
    6.7
  • 作者:
    Ouyang, Tianhong;Qian, Zhao;Liu, Xiangfa
  • 通讯作者:
    Liu, Xiangfa
Poisonous Vapor Adsorption on Pure and Modified Aluminum Nitride Nanosheet for Environmental Safety: A DFT Exploration
纯氮化铝纳米片和改性氮化铝纳米片的有毒蒸气吸附对环境安全的影响:DFT 探索
  • DOI:
    10.3390/su122310097
  • 发表时间:
    2020-12
  • 期刊:
    Sustainability
  • 影响因子:
    3.9
  • 作者:
    Zhang Hongni;Du Wenzheng;Zhao Tong;Ahuja Rajeev;Qian Zhao
  • 通讯作者:
    Qian Zhao
Metal (boro-) hydrides for high energy density storage and relevant emerging technologies
用于高能量密度存储的金属(硼)氢化物及相关新兴技术
  • DOI:
    10.1016/j.ijhydene.2020.08.119
  • 发表时间:
    2020-11-27
  • 期刊:
    INTERNATIONAL JOURNAL OF HYDROGEN ENERGY
  • 影响因子:
    7.2
  • 作者:
    Bannenberg, L. J.;Heere, M.;El Kharbachi, A.
  • 通讯作者:
    El Kharbachi, A.

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课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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