小分子吸附调控Ti掺杂石墨烯电子结构和磁性的密度泛函理论研究

本文采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,研究了气体分子CO、NO、NO_2和SO_2吸附对Ti掺杂石墨烯(Ti G)电子结构和磁性的调制.研究表明:Ti G对CO、NO、NO_2和SO_2分子的吸附作用较强,各分子与Ti原子键合并形成Ti-X键(X代表C、O、N原子);各分子的吸附可导致Gas@Ti G体系电磁性质明显改变:CO分子吸附基底后,虽未能引起CO@Ti G体系电子性质改变和磁性的产生,却能够有效调控该体系的带隙宽度;不同于CO分子,NO、NO_2和SO_2分子的吸附使得半导体性的Ti G基底转变为金属特性,但各体系磁性表征不同:NO@Ti G发生完全自旋极化,即NO分子与基底上均有自旋分布,且二者的自旋方向相同;顺磁性的NO_2分子吸附于Ti G基底时磁性消失;SO_2分子吸附于Ti G基底后自身产生磁性,但基底几乎未发生自旋极化,SO_2@Ti G呈现自旋极化的局域分布特征.由此,依据分子吸附后体系电磁性质特征的不同,可辨识被测气体分子.此项研究结果为高灵敏度和高选择性的石墨烯基气体传感器的设计提供理论参考.     

异性官能团修饰石墨烯吸附GIS特征气体能力的DFT研究

为研制高灵敏度气体绝缘组合开关(GIS)特征气体检测传感器，利用密度泛函理论方法，采用分子模拟软件对GIS特征气体(SO_2,SOF_2,SO_2F_2,CF_4)在异性官能团(羟基、羧基与氨基)修饰石墨烯表面的吸附过程进行模拟计算，从微观角度研究了GIS特征气体在异性官能团修饰石墨烯表面的吸附机理.首先计算了各吸附体系的吸附能、净电荷转移量以及态密度，比较了羟基与羧基修饰石墨烯对GIS特征气体的吸附能力;再通过分子前线轨道与能隙对吸附能力强弱的机理进行了研究，得出强吸附修饰官能团的规律性特征，并通过氨基石墨烯进行验证.结果表明:羧基与羟基修饰石墨烯能够有效提高对SO_2,SOF_2,SO_2F_2的吸附能力，但羧基石墨烯对GIS特征气体的整体吸附能力更强;异性官能团修饰石墨烯后的能隙及其与气体分子前线轨道能量差越小，对GIS特征气体吸附能力就越强，异性官能团修饰石墨烯的能隙与前线轨道能量差可以作为选择特征气体敏感材料的依据.     

异性官能团修饰石墨烯吸附GIS 特征气体能力的DFT研究

为研制高灵敏度气体绝缘组合开关(GIS)特征气体检测传感器,利用密度泛函理论方法,采用分子模拟软件对GIS特征气体(SO_2,SOF_2,SO_2F_2,CF_4)在异性官能团(羟基、羧基与氨基)修饰石墨烯表面的吸附过程进行模拟计算,从微观角度研究了GIS特征气体在异性官能团修饰石墨烯表面的吸附机理.首先计算了各吸附体系的吸附能、净电荷转移量以及态密度,比较了羟基与羧基修饰石墨烯对GIS特征气体的吸附能力;再通过分子前线轨道与能隙对吸附能力强弱的机理进行了研究,得出强吸附修饰官能团的规律性特征,并通过氨基石墨烯进行验证.结果表明:羧基与羟基修饰石墨烯能够有效提高对SO_2,SOF_2,SO_2F_2的吸附能力,但羧基石墨烯对GIS特征气体的整体吸附能力更强;异性官能团修饰石墨烯后的能隙及其与气体分子前线轨道能量差越小,对GIS特征气体吸附能力就越强,异性官能团修饰石墨烯的能隙与前线轨道能量差可以作为选择特征气体敏感材料的依据.     

二氧化硫在改性BC_3表面的吸附特性研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法观察修饰不同原子(Mo,Pt,Si)来调控BC_3体系的表面结构和反应活性.研究发现:单个原子吸附在BC_3表面具有不同的稳定位,Pt和Si原子吸附在H1位稳定,而Mo原子吸附在H2位稳定.单个原子在完整结构BC_3表面的扩散势垒较小,而掺杂的原子在单空位缺陷BC_3体系中具有极高的稳定性( 6.5 eV),这些掺杂原子显正电性能够有效地调制BC_3体系的电子结构、磁性以及影响二氧化硫(SO_2)的吸附强弱.与Pt原子掺杂的BC_3体系(Pt-BC_3)相比,单个SO_2分子在Si-和Mo-BC_3体系上的吸附能较大,表现出较高的灵敏特性.该研究为设计类石墨烯基功能纳米材料提供参考.     

气体吸附对V掺杂石墨烯电子结构与光学性质的影响

基于密度泛函理论(DFT)的广义梯度近似(GGA),采用第一性原理方法研究了气体分子吸附对V掺杂石墨烯的吸附能、电子结构与光学性质的影响．能带结构计算表明:吸附NO₂分子的V掺杂石墨烯的带隙显著增加,从0 e V变为0.368 e V,由金属性转变为半导体特性,而吸附CO与NH₃分子的V掺杂石墨烯的带隙则变化很小．三种吸附构型(NO₂,CO,NH₃)的吸附能分别为-8.499 e V、-2.05 e V和-2.01e V,说明V掺杂石墨烯对NO₂气体分子吸附最强．进而计算了本征、V掺杂石墨烯及其吸附NO₂分子的光学性质,结果表明:随着V掺杂与吸附NO₂气体,石墨烯介电吸收峰值有所增大,介电峰位向低能量区域移动;本征石墨烯仅吸收紫外光,V掺杂石墨烯吸附NO₂分子可以明显拓宽光吸收的光谱范围;掺杂与吸附使得石墨烯光电导率显著增强,能在红外与可见光区产生光电流．上述结果表明V掺杂石墨烯吸附NO₂后...     

金属原子修饰石墨烯体系催化性能的理论研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法研究了单个CO和O2气体分子在金属原子修饰石墨烯表面的吸附和反应过程.结果表明:空位缺陷结构的石墨烯能够提高金属原子的稳定性,金属原子掺杂的石墨烯体系能够调控气体分子的吸附特性.通入混合的CO和O2作为反应气体,石墨烯表面容易被吸附性更强的O2分子占据,进而防止催化剂的CO中毒.此外,对比分析两种催化机理(Langmuir-Hinshelwood和Eley-Rideal)对CO氧化反应的影响.与其它金属原子相比,Al原子掺杂的石墨烯体系具有极低的反应势垒(0.4 e V),更有助于CO氧化反应的迅速进行.     

金属原子修饰石墨烯体系催化性能的理论研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法研究了单个CO 和O2气体分子在金属原子修饰石墨烯表面的吸附和反应过程. 结果表明: 空位缺陷结构的石墨烯能够提高金属原子的稳定性, 金属原子掺杂的石墨烯体系能够调控气体分子的吸附特性. 通入混合的CO和O2作为反应气体, 石墨烯表面容易被吸附性更强的O2分子占据, 进而防止催化剂的CO 中毒. 此外, 对比分析两种催化机理(Langmuir-Hinshelwood和Eley-Rideal)对CO氧化反应的影响. 与其它金属原子相比, Al原子掺杂的石墨烯体系具有极低的反应势垒(< 0.4 eV), 更有助于CO氧化反应的迅速进行.     

基于密度泛函理论研究掺杂Pd石墨烯吸附O2及CO

基于第一性原理的密度泛函理论研究了单个O₂和CO气体分子吸附于本征石墨烯和掺杂钯(Pd)的石墨烯的体系, 通过石墨烯掺Pd前后气体分子的吸附能、电荷转移及能带和态密度的计算, 发现掺Pd后气体分子吸附能和电荷转移显著增大, 这是由于Pd的掺杂, 在本征石墨烯能带中引入了杂质能级, 增强了石墨烯和吸附气体分子间的相互作用; 氧化性气体O₂和还原性气体CO吸附对石墨烯体系能带结构和态密度的影响明显不同, 本征石墨烯吸附O₂后, 费米能级附近态密度变大, 掺Pd后在一定程度变小; 吸附还原性的CO后, 石墨烯费米能级附近态密度几乎没有改变, 表明掺杂Pd不会影响石墨烯对CO的气体灵敏度, 但由于CO对石墨烯的吸附能增大, 可以提高石墨烯对还原性气体的气敏响应速度.     

氮原子修饰点缺陷石墨烯结构和性质的理论研究

氮原子掺杂石墨烯对基于石墨烯的器件和催化研究具有重要的应用价值.本文采用基于密度泛函理论的计算方法,研究了氮原子修饰的C-Bridge(碳原子吸附在石墨烯碳碳键桥位)、C-Top(碳原子吸附在石墨烯一个碳原子上方)和C7557(碳原子对吸附在石墨烯碳环上方)三种不同点缺陷类型的石墨烯物理性质.讨论不同缺陷石墨烯结构在用氮原子进行修饰前后体系的稳定性、电子结构等;计算得到了缺陷处原子的分波态密度(PDOS)图,分析了原子间的相互作用;模拟出氮原子修饰后缺陷石墨烯恒流模式的STM图像,以便和实验上得出的图像进行对比.计算结果表明,对于所选取的三种不同缺陷,氮原子能够较稳定地吸附在缺陷表面.C-Bridge和C-Top缺陷结构本身具有磁矩,经氮原子修饰后结构磁矩消失.与之相反,C7557缺陷结构本身没有磁矩,经氮原子修饰后缺陷体系带有磁矩.另外,C-Bridge和CTop两种不同缺陷结构石墨烯经过氮原子修饰后,体系几何结构变得完全一样.     

非金属与金属原子共掺杂石墨烯体系的气敏特性研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法研究了非金属N原子和金属原子(M=Mo,Al,Co,Fe,Au和Pt)共掺杂石墨烯体系(M-GN4)的电子结构和表面活性.研究发现:单个金属原子掺杂的GN4体系表现出不同的稳定性,相比掺杂的Au原子,其它的金属原子都具有很高的稳定性( 6. 0 e V).掺杂的金属原子失去电荷显正电性将有助于调控气体分子的吸附特性. Mo-GN4和Al-GN4衬底对吸附的O_2表现出较高的灵敏性,单个CO和O_2分子在Co-GN4和Fe-GN4衬底的吸附能差别较小.此外,吸附不同的气体分子能够有效地调控M-GN4体系的电子结构和磁性变化.     

Sulfur dioxide adsorbed on graphene and heteroatom-doped graphene: a first-principles study

The adsorption of sulfur dioxide (SO₂) on intrinsic graphene and heteroatom-doped (B, N, Al, Si, Cr, Mn, Ag, Au, and Pt) graphene samples was theoretically studied using first-principles approach based on density functional theory to exploit their potential applications as SO₂ gas sensors. The structural and electronic properties of the graphene-molecule adsorption adducts are strongly dependent on the dopants. SO₂ molecule is adsorbed weakly on intrinsic graphene, and B-, N-doped graphene; in general, strong chemisorption is observed on Al-, Si-, Cr-, Mn-, Ag-, Au-, and Pt-doped graphene. The adsorption mechanisms are discussed from charge transfers and density of states. This work reveals that the sensitivity of graphene-based chemical gas sensors for SO₂ can be drastically improved by introducing appropriate dopant, and Cr, as well as Mn, may be the best choices among all the dopants.     

Geometric stability and adsorption property of hydroxyl group on graphene sheets

The stable geometrics and adsorption behaviors of hydroxyl (OH) groups on graphene sheets are investigated using the first-principles calculations. The single hydroxyl adatom has small adsorption energy and diffusion barrier on pristine graphene. The binding strength of the hydroxyl group increases with the coverage, and the aggregations of the hydroxyl groups reduce the structural bucking of graphene sheet. On the graphene with single vacancy (SV-graphene), the large trapping zones mean the adsorbed OH would be easily trapped at the vacancy site. The hydroxyl groups prefer to aggregate on graphene surfaces and form the water molecule, leaving the epoxy group on pristine graphene or oxygen dopant in SV-graphene, which is used to constitute the structural model of oxidized graphene. These results would provide us a useful reference to understand the atomic structure and adsorption property of functional groups on graphene sheets.     

凹槽铜基底表面与单层石墨烯的相互作用特性研究

基于石墨烯二维材料的诸多应用需要将其大面积、高质量地转移到目标基底上,迫切需要了解石墨烯在剥离和转移过程中与基底之间的相互作用特性.本文采用经典分子动力学方法探索了铜基底表面凹槽的几何特征尺寸对石墨烯吸附和剥离过程中凹槽基底对石墨烯吸附作用的影响机理和规律.结果表明:对于固定边界条件下的单层石墨烯,当基底表面的凹槽宽度固定不变时,吸附过程中基底对石墨烯的吸附力随二者间距的减小,呈现先增大后减小的趋势;其最大吸附力随凹槽深度的增加而增大,而当凹槽深度继续增大至石墨烯未能吸附进入凹槽底部的临界值时,吸附力迅速减小;剥离过程中,石墨烯完全剥离的临界作用力随凹槽深度的增加同样呈现先增大后减小的趋势,且与剥离前石墨烯与凹槽基底的相互作用面积有关;当基底表面凹槽的深度固定不变时,吸附和剥离过程中石墨烯-基底之间的吸附力随间距的变化规律取决于石墨烯在基底凹槽处的稳态吸附构型.     

密度泛函理论研究纯的及不同掺杂原子石墨烯和CaH_2分子相互作用

本研究采用密度泛函理论研究了纯的及V,Fe,Ni,Pd,Si,P,S和Cl掺杂原子的石墨烯和CaH_2分子之间相互作用.研究结果发现CaH_2分子与所有石墨烯表面均具有较大的相互作用,而CaH_2分子与掺杂石墨烯相互作用都大于与纯石墨烯的相互作用,在所有掺杂原子中,其中与Pd掺杂石墨烯具有最大的相互作用,S次之,其它掺杂石墨烯与CaH_2分子相互作用能力相差不大.这些结果表明虽然所有石墨烯均有助于CaH_2中H原子的脱附,但掺杂石墨烯脱附能力仍然大于纯的石墨烯.在掺杂原子中,Pd和S掺杂石墨烯对CaH_2中H原子的脱附效果最好,其它的掺杂原子脱附效果相差不明显.此研究结果将有望为CaH_2分子在石墨烯基材料中吸氢-脱氢行为提供有用的理论参考价值.     

密度泛函理论研究纯的及不同掺杂原子石墨烯和CaH2分子相互作用

本研究采用密度泛函理论研究了纯的及V, Fe, Ni, Pd, Si, P, S和Cl掺杂原子对石墨烯和CaH2分子之间相互作用. 研究结果发现CaH2分子与所有石墨烯表面均具有较大的相互作用, 而CaH2分子与掺杂石墨烯相互作用都大于与纯石墨烯的相互作用, 在所有掺杂原子中, 其中与Pd掺杂石墨烯具有最大的相互作用, S次之, 其它掺杂石墨烯与CaH2分子相互作用能力相差不大. 这些结果表明虽然所有石墨烯均有助于CaH2中H原子的脱附, 但掺杂石墨烯脱附能力仍然大于纯的石墨烯. 在掺杂原子中, Pd和S掺杂石墨烯对CaH2中H原子的脱附效果最好, 其它的掺杂原子脱附效果相差不明显. 此研究结果将有望为CaH2分子在石墨烯基材料中吸氢-脱氢行为提供有用的理论参考价值.     

缺陷对Pt在Graphene上吸附影响的研究

本文利用第一原理方法计算了空位缺陷和硼（B）掺杂时对Pt在graphene上吸附的影响.结果表明：Pt在graphene上吸附的稳定位置是Pt吸附在桥位；悬挂键的存在极大的增强了Pt在graphene空位处的吸附；B替位掺杂有利于Pt原子在杂质附近的吸附.     

碱金属修饰的多孔石墨烯的储氢性能

基于第一性原理深入研究了碱金属原子(Li,Na,K)修饰的多孔石墨烯(PG)体系的储氢性能,并且通过从头算分子动力学模拟了温度对Li-PG吸附的H2分子稳定性的影响.研究结果表明,PG结构的碳环中心是碱金属原子最稳定的吸附位置,PG单胞最多可以吸附4个碱金属原子,Li原子被束缚最强,金属原子间无团聚的倾向;H2分子通过极化机制吸附在碱金属修饰的PG结构上,每个金属原子周围最多可以稳定地吸附3个H2分子;Li-PG对H2分子的吸附最强(平均吸附能为-0.246 eV/H2),Na-PG对H2分子的吸附较弱(平均吸附能为-0.129 eV/H2),K-PG对H2分子的吸附最弱(平均吸附能为-0.056 eV/H2),不适合用做储氢材料;在不考虑外界压强且温度为300 K的情况下,Li-PG结构可稳定地吸附9个H2分子,储氢量为9.25 wt.%;在400 K时,有7个吸附H2分子脱离Li-PG的束缚,在600-700 K的范围内,吸附H2分子全部脱离了Li-PG体系的束缚.