Theoretical investigation of novel two-dimensional materials with application potential

Abstract

v českém jazyce Elektronová struktura tenkých dvourozměrných (2D) materiálů je velmi odlišná od elektronové struktury korespondujících trojrozměrných materiálů. V důsledku prostorového omezení vykazuje elektronová struktura 2D materiálů neobyčejné vlastnosti, které jsou vhodné k řadě aplikací v elektronice. Velký povrch 2D materiálů je rovněž vhodný pro aplikace v katalýze a adsorpci. Další potenciální uplatnění 2D materiálů je možné očekávat ve fotokatalýze, pro kterou je výhodná krátká vzdálenost k povrchu pro fotokatalyticky generované elektrony a elektronové díry. Výsledky prezentované v této dizertační práci jsou motivovány snahou pochopit vlastnosti 2D na atomární úrovni a lépe porozumět jejich struktuře, elektronové struktuře a potenciálním aplikacím v oblasti katalýzy, fotokatalýzy a alkalických baterií. Věříme, že výsledky zde prezentované jsou relevantní nejen z hlediska teoretického studia 2D materiálů, ale pomohou i experimentálním kolegům na cestě k novým 2D materiálům hledaným pro konkrétní aplikace. Hlavní výsledky této práce jsou stručně popsány níže pro pět tříd 2D materiálů. 2D kovalentní organické sítě. Tyto materiály se označují zkratkou COF z anglického "covalent organic framework". Jedním z typů materiálů COF jsou tzv. CTF sítě, které mají podobnou topologii, ale různý poměr...

Electron confinement due to the two-dimensional (2D) nature of layered materials accounts for their fascinating electronic properties and for their applications in new-generation electronic devices. Moreover, the large specific surface area of 2D materials also enables their use in surface-related applications, such as catalysis and adsorption. In addition, these 2D materials are promising photocatalysts thanks to the shorter migration distance of photogenerated electrons and of electron holes. The research reported in this thesis aimed to provide atomistic insight into 2D layered materials, particularly into their structures, electronic properties and potential applications in the field of catalysis, photocatalysis and alkali metal ion batteries. Our findings are not only theoretically relevant but also open new research avenues for our experimental collaborators to improve specific properties and activities of their materials. The main results from this thesis, for five different classes of 2D materials, are summarized below. 2D covalent organic frameworks (COFs). CTF-type COFs with similar topology but different nitrogen-to-carbon ratios were investigated for their potential in photocatalytic water splitting. More specifically, torsion and bending effects on structure stability were investigated in...