张 馨 闫丹丹 黄 丽 王晓凤 杨光敏
（长春师范大学，吉林 长春 130032）
【摘 要】石墨烯的量子电容可通过N掺杂、空位缺陷和吸附过渡金属原子的方法提升，量子电容的增加与局限态接近狄拉克点或缺陷和掺杂造成的费米能级移动有关。
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关键词 石墨烯；量子电容；狄拉克点
介绍：由于可持续发展的需要，研究和开发出能为人类提供可再生、绿色、清洁能源的新型能量储装置显得尤为迫切和重要。在此背景条件下， 超级电容器应运而生。超级电容器由于兼有传统电容和电池的双重功能，其具有充电速度快、放电电流大、效率高、体积小、循环寿命长、工作温度范围宽、可靠性好、免维护和绿色环保等优点。在超级电容器的研究中，许多工作都是围绕着开发在大电流充放条件下具有较高比容量的电极材料而进行的。目前，超级电容器电极材料的研究主要集中在某一种材料合成手段的改进（掺杂等）和多种材料复合两个方面。为了提高GN的比电容，主要通过增加其比表面积、进行化学掺杂等增加自由电荷传递密度[6-10]、控制开口的孔径、避免层状结构的叠加、提高分散性、控制晶格缺陷密度的比例，控制碳的成键类型。而总电容的增加由N掺杂引起的GN本身的电极电容（量子电容CQ）贡献，却很少受关注，CQ对总电容的贡献如何及如何有效调控量子电容等是需要关注的问题。
自从2004年石墨烯被发现以后，由于它奇特的物理化学性质，出现了很多关于它的制备和性质的研究。对于一个单原子层的材料，石墨烯被预言用作化学储能设备。例如：可用作二次Li电池阳极以及石墨烯超级电容器的电极。理论上它表面积较大（2630m2/g）并具有良好的导电性，石墨烯被看作是一种理想的电化学双层电容的电极（EDLCs）。
EDLC是一种高功率密度的超级电容，它与低功率密度的电池相比拥有相当的寿命和相似的充电电路。实际使用中以石墨烯为基的材料其体积和表面积已经达到最小，电解液和电极的接触已经达到极限，而超级电容的潜能还未被足够的利用。因此，寻找适当的电极材料是超级电容实现高电容的关键，一些报告证实了掺杂或功能化的石墨烯能够一定程度的提升电容。报告中建议通过促进电解液对电极的润湿性来增强导电性和赝电容。
首先通过态密度计算来检验碳掺杂、浓度、空位浓度、过渡金属原子对石墨烯量子电容和电子结构的影响。计划通过适当掺杂物与缺陷来提高量子电容的效率。基于研究结果，讨论缺陷和掺杂剂是如何提高石墨烯超级电容的整体性能。
理想金属将导致额外的电荷被限制于表面。因此电容金属连接处的部分电极通常不作为主要的工作部分。石墨烯材料并没有被很好的研究筛选。当它们被用来做电极材料时，可能它的固有电容——量子电容会对器件性能有较大的影响，诸如此类超级电容。
kB是玻尔兹曼常数。在量子电容的计算中，空间温度是（300K）选择温度参数T。D（E）在DFT中用改良后的高精度的线性插值法进行计算。
结论：
我们用密度泛函理论的第一原理系统的研究了半导体掺杂和缺陷在石墨烯的电子结构和对量子电容的影响。我们的结果清晰的证明了石墨烯量子电容氮掺杂、空位缺陷和过渡金属原子的吸附可以明显的提高石墨烯量子电容。发现这些电子方法可以通过引入接近狄拉克点的局域态和移动费米能级来修改能带结构。局域态接近费米能级导致了自旋极化也增加了缺陷密度，比如氮参杂和单一空位使量子电容单调的提高了。比较铜吸附在原始的石墨烯和单一空位的石墨烯可得空位对改变量子电容起到了关键的作用。这些发现将影响石墨烯类电极在超级电容的发展。
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参考文献
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［责任编辑：汤静］