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随着现代社会经济的发展,人们对于能源的需求量越来越大。开发替代化石燃料的新型能源对于缓解二氧化碳排放等造成的环境问题和解决全球能源危机具有重要意义。能源的存储和转化是该领域的热点问题。可充电电池等能源存储设备可以有效地提高能源的利用率。锂离子电池在能源存储和运输方面发挥着至关重要的作用。寻找具有低扩散势垒和高存储容量的电极材料一直是提高锂离子电池性能的关键。此外,高性能的催化剂材料在能源转化过程中扮演着重要角色。寻找高性能的电催化材料,提高能源的转化效率是能源和材料领域的一个重要课题。多孔材料具有独特的结构、优异的机械和光电等性能,在能量存储和能量转化等方面展现出了巨大的潜力。本论文从量子力学第一性原理计算出发,对M3N/MX3、金属-有机框架(MOF)、有机 1,4,5,8-naphthalenete-tracarboxylic dianhydride(PNTCDA)等多孔材料在碱金属离子电池、锂硫(Li-S)电池以及新能源催化(HER/OER)等领域的应用开展了系统的理论研究,揭示了多孔材料的原子结构及电子性质对分子和原子的吸附、扩散与催化性能影响的微观机制,为相关实验的研究提供了理论基础。本文的主要研究内容和结论如下:1.M3N/MX3是一类实验上已经广泛合成的多孔材料。我们的理论研究表明:这类新型多孔材料可以作为锂离子电池(LIBs)的电极材料。利用其特殊的多孔结构,可以实现锂的高移动性和高存储量。以Cu3N为例,锂在Cu3N纳米片上的扩散势垒只有0.09 eV,这比目前已报导的电极材料的势垒低得多,而且最大储锂容量可达1008 mA h g-1。这为高性能锂离子电池电极材料的发展开辟了一条新途径。此外,TiF3具有铁磁半金属的特性,而且在锂离子嵌入后仍能保持稳定的铁磁性和半金属性。TiF3晶体也有较低的锂离子扩散势垒(0.16-0.37eV)和相对较高的储锂容量(256 mA hg-1),这些参数与通用的电池电极材料的参数相当。这种具有铁磁半金属特性的锂离子电极材料为自旋电池的设计开辟了一个新途径。2.有机聚合材料PNTCDA具有廉价和环境友好等特点。我们的计算表明PNTCDA可以作为碱金属(锂、钠和钾)离子电池的电极材料。由于特殊的烯醇化过程,碱金属嵌入PNTCDA导致的晶格变化很小(Li:-1.68%;Na:-0.37%;K:-0.56%),因此在充放电过程电极的体积变化较小,提高了电池的稳定性,而且碱金属离子吸附的过程是无势垒的;并且其理论容量(Li:366 mA h g-1,Na:366 mA h g-1,K:183 mA h g-1)可以与已有文献报导的无机材料相当;此外,PNTCDA不仅可以做锂离子和钠离子电池的负极材料,还可以做钾离子电池的正极材料。PNTCDA的环境友好性以及聚合结构不易溶于水系电解质的特点也是其作为碱金属离子电池的多功能电极材料的重要优势。3.锂硫(Li-S)电池具有较高的能量密度,但是多硫化锂(LiPSs)容易溶解在电解液中,在电极之间形成“穿梭效应”,导致电池的循环稳定性差,是当前锂硫电池面临的重要问题。我们针对二维金属-有机框架材料Cu3(HITP)2与多硫化锂之间的相互作用开展了理论研究。计算表明:Cu3(HITP)2对锂硫电池充放电过程中产生的多硫化锂具有锚定作用,可以有效地抑制穿梭效应。同时,被锚定的多硫化锂具有较低的脱锂反应势垒,有利于加快锂硫电池的充放电过程。此外,我们还探讨了其中的过渡金属和周边配体环境对LiPSs结合强度的影响,提出了反映二维金属有机框架TM3(HITP)2与多硫化锂之间结合能的描述符,为进一步设计具有不同功能团的金属有机框架作为Li-S电池的锚定材料提供了理论基础。4.析氢反应(HER)和析氧反应(OER)是能量转换中的两个重要反应。高效的HER、OER/ORR电催化剂对于提高能量转化效率具有重要意义。我们采用量子力学第一性原理方法,对多孔MX3(M=Ti,Sc,Nb,Ta,Mo,W,Re;X=F,O)结构和二维TM3(HITP)2金属-有机框架(MOF)HER、OER/ORR电催化性能进行了系统研究,计算表明:TiF3和W03均能作为高效的HER电催化剂,其过电势与目前广泛采用的铂基贵金属催化剂相当。针对MX3多孔结构,建立了中间体的吸附能力与材料电子结构之间的关系。此外,Cu3(HITP)2具有HER/OER双功能催化特性,可以作为全解水的双功能催化剂;Fe3(HITP)2,Co3(HITP)2和Zn3(HITP)2可以做燃料电池或者金属-空气电池的双功能催化剂。在此基础上,建立了基于Gibbs自由能(AGO*-AGOH*)的OER/ORR催化活性的描述算符,揭示了二维TM3(HITP)2催化性能的调控规律,为多功能催化剂设计提供了新思路。