基于轻质非金属元素的新型金属材料的设计与模拟研究

Light elements (like B, C, N, O, Si) are abundant in the universe and can form a variety of materials with novel physical and chemical properties. According to the Key Targets of China's 12th Five-Year Plan and the requirements for new matallic materials, and based on our recent works on three dimensional metallic carbon 【PNAS, 110, 18809 (2013)】 and metallic BN【 JACS 135, 18216 (2013)】，we propose for the first time to study systematically the general rules and regulations of metallic materials composed of the light-element strucrural units without metal that have armoticity or delocalized electrons such as in carbo-benzene,porphyrin, phthalocyanine and their derivatives. In this project we will perform state-of-the-art density functional theory calculations together with molecular dynamics and particle swarm optimization algorithm to reveal the underlying relationship between the chemical components, atomic configurations and the electronic structures in the light- mass metallic materials without metal elements involved. Our results and analysis will provide theoretical support for future experimental synthesis and applications.

轻质元素在自然界含量丰富，且成键方式灵活多样，能构成大量具有优异物理化学特性的单质或化合物。由轻质元素构成的材料具有量轻、价廉、质优等无可比拟的优势。根据国家新材料产业"十二五"发展规划对新型金属材料的发展布局和需求，本课题将在我们近期关于三维金属碳和三维金属氮化硼的理论研究工作的基础上【PNAS, 110, 18809 (2013); JACS 135, 18216 (2013)】，利用密度泛函理论、分子动力学及结构搜索等理论方法，首次系统研究以具有芳香性或电子离域特性的分子或纳米结构作为基元来构建无金属元素参与的三维金属材料的普适性规律和特点，从机理和原理的角度深入研究新型金属材料的结构特征，从原子尺度揭示材料的组分、空间排布与电子局域性的内在关系，为实验合成这些新型金属材料提供理论支撑。

本课题基于全局结构搜索算法和结构基元组装两种方法，成功地设计了多种由非金属轻质元素构成的新型金属材料、狄拉克半金属材料和拓扑半金属材料，包括具有高稳定性的三维多孔金属碳结构Hex-C18，二维金属碳结构ψ-Graphene，二维蜂窝状各向异性狄拉克半金属材料B2S，由石墨烯纳米带组装的具有狄拉克节点线的新型半金属碳结构HZGM-42，由四元碳环组装的三维节点线半金属碳结构bct-C16和由sp2及sp3杂化的碳原子构成的单斜节点型拓扑保护半金属碳结构mC16。运用基于密度泛函理论的第一性原理计算和分子动力学模拟，我们对这些材料的稳定性和物理化学性质进行了深入的分析和研究；从原子、电子层面揭示了这些体系中金属性和半金属性产生的机理；揭示了原子的空间分布、成键特性与电子非局域性的内在关系；并研究了这些材料可能的应用前景，发现这些轻质导电材料在金属离子电池负极材料中有很好的应用前景。本项目共发表SCI论文41篇，包括PNAS一篇、Angew. Chem. Int. Ed. (封面论文) 1篇、Nano Energy 1篇、Phys. Rev. B 2篇，J. Mater. Chem. A 2篇、J. Phys. Chem. Lett. 3篇、Nanoscale 8篇，Small 1篇，7篇文章被选为杂志的封面论文，多项研究工作受到学术界的高度评价。这些研究成果不仅极大地深化了人们对由轻质非金属元素构成的金属材料的认识，而且为研发新型电池负极材料提供了新的思路。