纳米孔石墨烯-硼烯复合框架物结构设计和电子结构性质的第一性原理研究

As an important functional material, covalent organic framework materials, which is a frontier basic research field with great application prospects, have been rapidly developed in the fields of energy storage, catalysis, and biomedicine. The novelty of structure, rich electronic properties, and successful preparation of nanoporous graphene/ borophene from "bottom-up" method provide a new path for the study of the structural and functional expansion of covalent framework materials. This project will use the first-principles calculation to systematically investigate the structural design and electronic properties of the novel nanoporous graphene- borophene composite framework. The main research contents are as follows: (1) the establishment of "structure-activity relationship" between new structures and electronic properties and the exploration by mathematical rules; (2) the classification of electronic properties such as semiconductors, semimetals, and flat energy bands, wherein the semiconductors have potential applications in photovoltaic film, gas separation, molecular screening, the semimetals can be used for transparent conductive coatings; (3) the realization of new topological Dirac electronic properties in lightweight porous framework materials, which is of great significance for the realizing functional films with low-cost and new physical properties; (4) the tunability of electronic properties by the modification of porous surface. The implementation and research of this project will provide important original theoretical and scientific value for related materials and engineering research.

共价有机框架材料作为一类重要的功能材料，在能源存储、催化、生物医药等领域得到了快速发展，是一个具有重大应用前景的前沿基础研究领域。纳米孔石墨烯/硼烯的新颖结构、丰富的电子结构性质、及“自下而上”的成功制备为共价框架材料的结构性和功能性拓展研究提供了新的路径。本项目将利用第一性原理计算，系统研究新型纳米孔石墨烯-硼烯复合框架物结构设计及电子结构性质，主要研究内容有：（1）新型结构与电子结构性质之间的“构效关系”建立及数学规律探究；（2）半导体、半金属、平坦能带等电子结构性质的划分，其中半导体在光伏薄膜、气体分离、分子筛选等方面有潜在应用，半金属可用于透明导电涂层等；（3）新型拓扑狄拉克电子结构性质在孔洞框架物材料中的实现，这对于实现低成本、新物理特性的功能化薄膜具有重要意义；（4）孔洞表面化修饰对电子结构性质的调制。本项目的实施和研究将对相关材料及工程研究提供重要的原创理论价值和科学价值。

二维硼碳基共轭材料在光电子、能源、催化等领域具有重要的应用。本项目利用第一性原理计算及机器学习辅助设计方法，在二维硼碳基材料新型结构设计、稳定性增强机理、能源应用等方面开展了系列工作。主要研究内容包括：. 首先，以“自下而上”的方式，利用功能性分子前驱体设计得到了新的二维硼碳基结构，这类材料可实现硼原子高度可控掺杂，在钾离子电池负极材料方面展现了极大的应用前景。其次，由于硼掺杂体系巨大的结构和组分空间，借助机器学习方法成功预测了具有高功函数的硼掺杂石墨烯体系，高功函数结构在碱金属离子吸附方面具有重要作用，筛选得到的最高功函数结构在碱金属离子电池负极材料方面展现了极大的应用前景。接着，由于平整的蜂窝状硼烯结构很难自然稳定形成，以异质结工程方式，利用高通量计算从二维材料数据库中成功筛选了用于稳定生长六方硼烯的衬底材料，揭示了稳定性增强背后的机理。最后，除了纵向的异质结，以“自上而下”的方式，在同质材料中，借助纳米图形化方式，构建了基于孔洞石墨烯结构的I类和II类横向异质结，在电子输运器件方面具有极大应用前景。. 综上，通过项目的实施，成功获得了新的二维硼碳基共轭结构，并研究了其在能源等方面的应用前景，为相关实验研究奠定了理论基础。