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新型高性能储能材料的设计、合成与应用研究被视为解决当今世界能源和环境问题的重要课题。MXene是一类新型的二维过渡金属碳化物,经过短短四年的研究,成为一种极具潜力的新型储能材料并引起广泛关注。首先,本论文利用第一性原理研究了24种MXene的电子结构和形成能。结果表明:表面裸露的MXene均具有导电性能,选择A金属活性高的MAX相较易于刻蚀制备相应的MXene。其次,利用第一性原理研究了Ti2C的储氢性能。结果表明:Ti2C的储氢方式分为三类:化学吸附(1.7 wt%)、Kubas吸附(3.4 wt%)和物理吸附(3.4 wt%)储氢。分子动力学模拟表明,在300-400 K,Kubas氢分子能够可逆吸附和脱附。此外,Sc2C的储氢也包含了物理吸附、Kubas吸附和化学吸附三种方式,理论储氢量为9.0 wt.%。再次,利用第一性原理研究了高锂浓度下V2CO2的储锂性能,结果表明:(1)单层Li吸附时,随着x增大,结构H1H2-V2CO2Lix向H1T-V2COLix转变,并伴随着一系列体积的变化。这种结构转变的实质,是高浓度锂原子诱导V2C表面的氧原子重新排列。(2)多层Li吸附时,随着锂浓度增加,氧原子迁移到两层锂原子层之间,形成一个三明治吸附结构,该结构与Li2O单质结构非常相似。因此,此阶段可能通过相转变反应生成V2C和Li2O。在插层和相转变机制的共同作用下,V2CO2的理论比容量高达1470 mAh g-1。(3)根据是否发生结构转变,不同OMX(MXene functioned by O groups)储锂的行为可分为三类,即V-类,Nb-类和Ti-类。层厚变化率φ可作为判断OMX储锂分类的参数。最后,制备了ex-Ti3C2和in-Ti3C2晶体并测试了其电化学性能。结果表明,在1 C的倍率下,in-Ti3C2的可逆比容量为123.6 mAh g-1,高于ex-Ti3C2的比容量,说明增大晶格常数c是提高MXene比容量的有效方法之一。