新型碳杂化材料的理论设计与性能调控

由于其丰富的电子性质和功能特性，以富勒烯、碳纳米管和石墨烯为代表的碳纳米材料是当前国内外前沿的热点研究体系，以这三种结构为基本单元构造新型碳杂化材料是目前一个新的研究方向。本项目将采用多种理论方法对新型碳杂化材料开展深入的理论研究，主要研究体系包括碳纳米芽、基于石墨烯的碳杂化材料和异质杂化材料，主要研究内容包括理论设计一维碳纳米芽、二维石墨烯纳米芽和三维石墨框架结构等新型碳杂化材料，研究其稳定性、电子结构与输运特性，通过掺杂、化学吸附和形成结构缺陷等物理化学手段实现对碳杂化材料的性能调控等。通过本项目的研究，理解和调控新型碳杂化材料的性能，揭示其结构与性能之间的关系，实现杂化材料的结构和功能集成，设计出具有特性功能的新型碳杂化材料，为相关的实验和应用研究提供一些理论指导和依据，这些都具有重要科学意义。

项目按计划执行。主要研究目标是理论设计碳杂化纳米材料与其它低维杂化功能材料，研究其结构稳定性与电子性质，探索其潜在的应用前景。主要研究进展包括：（1）基于石墨烯与类石墨烯氮化硼单层材料，设计了具有内嵌扩展线缺陷结构的石墨烯/氮化硼、氮化硼/氮化硼以为杂化纳米带与纳米管结构。（2）以碳纳米材料和氮化硼纳米材料为基本单元，理论设计具有独特电子结构性质的纳米超结构，可运用于能量存储等领域。（3）运用第一性原理和全局搜索算法，发现了单质硼、硼硅合金稳定的二维平面结构，预示了其独特的成键特征和物理特性。（4）基于石墨烯与类石墨烯结构，通过化学修饰和缺陷调控材料的性能。项目研究成果主要以学术论文形式发表。在J. Am. Chem. Soc., ACS Nano, J. Phys. Chem. Lett. J. Phys. Chem. C, Nanoscale, Phys. Chem. Chem. Phys. 等杂志上发表SCI论文21篇。应邀撰写学术专业书籍一章，介绍石墨烯超结构与组装。在国内外学术会议上做邀请报告7次。项目执行期间研究组1人获博士学位，毕业本科生4名。目前在读博士研究生4人，硕士研究生4人。