非平面石墨烯空穴传输功能和ORR催化功能的理论研究

A series of non-planar nanographenes are synthesized after a new warped nanographene C80H30 was synthesized firstly in 2013. Compared to the planar graphene, non-planar nanographene is easier to be prepared; the size of the non-planar nanographene can be controlled precisely; it has good dispersion in the solution and it has a wide HOMO-LUMO gap. Recently, two groups reported that the non-planar nanographene can be used as hole-transporting material and ORR catalyst. In this project, first-principles method, molecular dynamics and electronic transport method based on nonequilibrium Green's function will be used to study the interaction of non-planar graphene and perovskite, energy levels distribution and the carrier mobility; to study the mechanism of non-planar nanographene as ORR catalyst by analyzing the transition state, energy barrier and reaction path. Based on these studies, the possible measure will be provided to improve the application efficiency as hole-transporting material and ORR catalyst.

自非平面石墨烯C80H30被成功合成以来，一系列的非平面石墨烯都已经可以大量制备。相比平面石墨烯，非平面石墨烯制备简单，可以精确控制尺寸，在溶液中分散性好，并且克服了零带隙的缺点。目前，已有实验小组尝试将非平面石墨烯用作钙钛矿电池的空穴传输材料以及燃料电池的电极催化材料，结果表明非平面石墨烯在这两方面有潜在的应用可能，但是应用的微观机理并不明确。本课题将采用第一性原理、分子动力学以及基于非平衡格林函数的电子输运方法相结合的手段，通过分析非平面石墨烯的功能化改性、钙钛矿与非平面石墨烯的表面结合、能级分布与匹配、载流子的迁移等，分析空穴在非平面石墨烯中的传输机理以及迁移率；通过过渡态、反应能垒、反应路径的计算，研究非平面石墨烯作为氧化-还原反应催化剂的微观机制以及催化性能；在明确微观机理的基础上，提出提高非平面石墨烯作为空穴传输材料以及ORR催化剂应用效率的措施，为实验提供理论依据与指导。

相比平面石墨烯，非平面石墨烯制备简单，可以精确控制尺寸，在溶液中分散性好，且克服了零带隙的缺点。目前，已有实验小组尝试将非平面石墨烯用作钙钛矿电池的空穴传输材料以及燃料电池的电极催化材料，结果表明非平面石墨烯在这两方面有潜在的应用可能，但是应用的微观机理并不明确。.本课题首先采用第一性原理、分子动力学以及基于非平衡格林函数的电子输运方法相结合的手段，通过分析非平面石墨烯的功能化改性、钙钛矿与非平面石墨烯的表面结合、能级分布与匹配、载流子的迁移等，分析空穴在非平面石墨烯中的传输机理以及迁移率；通过过渡态、反应能垒、反应路径的计算，研究功能化改性后的石墨烯作为氧化-还原反应催化剂的微观机制以及催化性能，为实验提供理论依据与指导。.我们研究了C80分子和B3纳米石墨烯分子作为CO氧化-还原催化剂材料的应用。分别以C80分子和B3分子为催化底物，对O2在石墨烯分子表面的解离和CO的氧化反应的过程采用第一性原理进行了研究。计算结果显示，O2在B3石墨烯分子表面的解离过程可以在温和条件下实现，这为下一步CO的氧化提供了保障，因此根据这一点可以初步判断B3石墨烯分子有作为CO氧化反应催化剂材料的可能。进一步通过对CO在B3石墨烯分子表面的氧化反应的不同反应路径的搜索发现，两步反应的能垒均能满足低温催化的反应能垒要求。而同样的计算发现相比C80分子，B3分子是一种较为理想的氧化-还原催化剂材料。.此外我们制备了GO、GO：（PEDOT:PSS）复合薄膜和GO/PEDOT：PSS双层薄膜作为空穴传输层的电池，其光电转换效率分别为1.87%、7.25%、7.48%，基于PEDOT：PSS空穴传输层的对照电池的效率为7.40%.主要原因是GO具有绝缘性，作为阳极界面层时，随着GO薄膜厚度增加，器件的串联电阻增大，从而降低了电池的短路电流和效率。为提高GO导电性，并改善其功函数，将GO氨化改性后与PEDOT:PSS组合构成双空穴传输层，所得电池取得了7.69%的较高效率，表明该方式是GO用于钙钛矿电池空穴传输层的有效途径。